JP7445541B2 - Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters - Google Patents
Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters Download PDFInfo
- Publication number
- JP7445541B2 JP7445541B2 JP2020109334A JP2020109334A JP7445541B2 JP 7445541 B2 JP7445541 B2 JP 7445541B2 JP 2020109334 A JP2020109334 A JP 2020109334A JP 2020109334 A JP2020109334 A JP 2020109334A JP 7445541 B2 JP7445541 B2 JP 7445541B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- output
- current
- time
- feedback
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
- H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
- H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1584—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
- H02M3/1586—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
- H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
- H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
- H02M1/0025—Arrangements for modifying reference values, feedback values or error values in the control loop of a converter
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
- H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
本開示は、半導体装置及び降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータに関する。 The present disclosure relates to a semiconductor device and a step-down multiphase DC/DC converter.
降圧型DC/DCコンバータの一種である降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータでは、入力電圧をスイッチングする出力段回路を複数設け、複数の出力段回路のスイッチングに位相差を設けて、それらのスイッチング駆動することにより1つの安定化された出力電圧を得る。 A step-down multi-phase DC/DC converter, which is a type of step-down DC/DC converter, has multiple output stage circuits that switch the input voltage, and provides a phase difference in the switching of the multiple output stage circuits to drive their switching. By doing so, one stabilized output voltage is obtained.
降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータの詳細構成として様々な回路構成が提案されているが、電源の特性(例えば負荷応答性能又は電源効率)に関して改善の余地がある。 Although various circuit configurations have been proposed as detailed configurations of step-down multiphase DC/DC converters, there is still room for improvement in terms of power supply characteristics (for example, load response performance or power supply efficiency).
本開示は、特性の向上に寄与する半導体装置及び降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータを提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a semiconductor device and a step-down multiphase DC/DC converter that contribute to improved characteristics.
本開示に係る半導体装置は、入力電圧を降圧して複数のスイッチ電圧に基づいて出力電圧を生成する降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータに用いられる半導体装置であって、前記入力電圧をスイッチングすることで複数のスイッチ端子に前記複数のスイッチ電圧を発生させる複数の出力段回路と、前記出力電圧に応じたフィードバック電圧に比例する電圧と所定の基準電圧との差分に応じた誤差電圧を生成する誤差電圧生成部と、前記フィードバック電圧を基準に、前記複数のスイッチ電圧と連動して変動する複数のフィードバック脈流電圧を生成するフィードバック脈流電圧生成部と、前記誤差電圧と前記複数のフィードバック脈流電圧とに基づき複数のオンタイミングから成るオンタイミング列を生成するオンタイミング列生成部と、前記オンタイミング列に基づき前記複数の出力段回路を順次スイッチング駆動することにより前記複数の出力段回路のスイッチング駆動に位相差を与えるスイッチング制御部と、を備える構成(第1の構成)である。 A semiconductor device according to the present disclosure is a semiconductor device used in a step-down multi-phase DC/DC converter that steps down an input voltage and generates an output voltage based on a plurality of switch voltages, the semiconductor device switching the input voltage. a plurality of output stage circuits that generate the plurality of switch voltages at a plurality of switch terminals, and an error that generates an error voltage corresponding to the difference between a voltage proportional to a feedback voltage corresponding to the output voltage and a predetermined reference voltage. a voltage generation section; a feedback pulsating voltage generation section that generates a plurality of feedback pulsating voltages that vary in conjunction with the plurality of switch voltages based on the feedback voltage; and the error voltage and the plurality of feedback pulsating currents. an on-timing sequence generation unit that generates an on-timing sequence consisting of a plurality of on-timings based on a voltage; and switching of the plurality of output stage circuits by sequentially driving the plurality of output stage circuits based on the on-timing sequence. This is a configuration (first configuration) including a switching control section that provides a phase difference to drive.
上記第1の構成に係る半導体装置において、各出力段回路において前記入力電圧の印加端と対応するスイッチ端子との間に出力トランジスタが設けられることで前記複数の出力段回路に複数の出力トランジスタが設けられ、前記スイッチング制御部は、各出力トランジスタのオン時間を設定するオン時間設定部を有し、その設定内容と前記オンタイミング列に基づき前記複数の出力段回路をスイッチング駆動する構成(第2の構成)であっても良い。 In the semiconductor device according to the first configuration, an output transistor is provided between the input voltage application terminal and the corresponding switch terminal in each output stage circuit, so that a plurality of output transistors are provided in the plurality of output stage circuits. The switching control section has an on-time setting section that sets the on-time of each output transistor, and has a configuration (second configuration).
上記第2の構成に係る半導体装置において、前記オンタイミング列生成部は、前記誤差電圧と前記複数のフィードバック脈流電圧の平均電圧との高低関係が第1関係から第2関係に変化するたびに前記オンタイミングに設定することで前記オンタイミング列を生成し、前記スイッチング制御部は、前記オンタイミング列に含まれ且つ連続する複数のオンタイミングにおいて前記複数の出力トランジスタを1つずつ順次ターンオンさせる動作を、繰り返し実行する構成(第3の構成)であっても良い。 In the semiconductor device according to the second configuration, the on-timing sequence generating section is configured to generate a plurality of on-timing sequence generators each time the level relationship between the error voltage and the average voltage of the plurality of feedback pulsating voltages changes from a first relationship to a second relationship. The on-timing sequence is generated by setting the on-timing, and the switching control section sequentially turns on the plurality of output transistors one by one at a plurality of consecutive on-timings included in the on-timing sequence. It may be a configuration (third configuration) that repeatedly executes.
上記第2又は第3の構成に係る半導体装置において、前記オン時間設定部は、各出力トランジスタのオン時間の設定内容と前記オンタイミング列とに基づき前記複数の出力トランジスタのオン区間及びオフ区間を指定する複数の駆動制御信号を生成し、前記スイッチング制御部は、前記複数の駆動制御信号に従って前記複数の出力トランジスタのオン/オフするスイッチング駆動部を有し、前記オン時間設定部は、PLL回路を用いて、前記複数の出力トランジスタのスイッチング周波数に相当する前記複数の駆動制御信号の周波数が所定の基準周波数に一致又は近づくよう各出力トランジスタのオン時間を設定する構成(第4の構成)であっても良い。 In the semiconductor device according to the second or third configuration, the on-time setting section sets the on-period and off-period of the plurality of output transistors based on the setting contents of the on-time of each output transistor and the on-timing sequence. The switching control unit includes a switching drive unit that generates a plurality of specified drive control signals, the switching control unit turns on/off the plurality of output transistors according to the plurality of drive control signals, and the on-time setting unit is configured to control a PLL circuit. A configuration (fourth configuration) in which the on-time of each output transistor is set so that the frequency of the plurality of drive control signals corresponding to the switching frequency of the plurality of output transistors matches or approaches a predetermined reference frequency. It's okay to have one.
上記第2~第4の構成の何れかに係る半導体装置において、前記スイッチング制御部は、前記複数のスイッチ端子を通じて流れる複数の対象電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出結果に基づき前記複数の対象電流の大小関係に応じた電流バランス信号を生成する電流バランス信号生成部と、を有し、前記オン時間設定部は、前記電流バランス信号に基づいて各出力トランジスタのオン時間を調整することで前記複数の対象電流間の差を低減する構成(第5の構成)であっても良い。 In the semiconductor device according to any of the second to fourth configurations, the switching control section includes a current detection section that detects a plurality of target currents flowing through the plurality of switch terminals, and a detection result of the current detection section. a current balance signal generation section that generates a current balance signal according to the magnitude relationship of the plurality of target currents based on the current balance signal, and the on-time setting section sets the on-time of each output transistor based on the current balance signal. A configuration (fifth configuration) may be adopted in which the difference between the plurality of target currents is reduced by adjustment.
上記第5の構成に係る半導体装置に関し、前記複数の対象電流は第1及び第2対象電流を含み、前記複数の出力トランジスタは前記第1対象電流が流れるスイッチ端子に接続された第1出力トランジスタ及び前記第2対象電流が流れるスイッチ端子に接続された第2出力トランジスタを含み、前記オン時間設定部は、前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも大きいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を減少補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を増大補正し、前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも小さいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を増大補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を減少補正する構成(第6の構成)であっても良い。 Regarding the semiconductor device according to the fifth configuration, the plurality of target currents include first and second target currents, and the plurality of output transistors are first output transistors connected to a switch terminal through which the first target current flows. and a second output transistor connected to a switch terminal through which the second target current flows; the on-time of the first output transistor is corrected to decrease while the on-time of the second output transistor is corrected to increase, and when the first target current is smaller than the second target current, based on the current balance signal. A configuration (sixth configuration) may be adopted in which the on-time of the first output transistor is increased and the on-time of the second output transistor is decreased.
本開示に係る他の半導体装置は、入力電圧を降圧して前記複数のスイッチ電圧に基づいて出力電圧を生成する降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータに用いられる半導体装置であって、前記入力電圧をスイッチングすることで複数のスイッチ端子に前記複数のスイッチ電圧を発生させる複数の出力段回路と、前記複数の出力段回路のスイッチング駆動に位相差を設けた状態で前記複数の出力段回路をスイッチング駆動するスイッチング制御部と、を備え、各出力段回路において前記入力電圧の印加端と対応するスイッチ端子との間に出力トランジスタが設けられることで前記複数の出力段回路に複数の出力トランジスタが設けられ、前記スイッチング制御部は、各出力トランジスタのオン時間を設定するオン時間設定部と、前記複数のスイッチ端子を通じて流れる複数の対象電流を検出する電流検出部と、前記複数の対象電流の大小関係に応じた電流バランス信号を生成する電流バランス信号生成部と、を有し、前記オン時間設定部は、前記電流バランス信号に基づいて各出力トランジスタのオン時間を調整することで前記複数の対象電流間の差を低減する構成(第7の構成)である。 Another semiconductor device according to the present disclosure is a semiconductor device used in a step-down multiphase DC/DC converter that steps down an input voltage and generates an output voltage based on the plurality of switch voltages, the semiconductor device A plurality of output stage circuits that generate the plurality of switch voltages at a plurality of switch terminals by switching, and switching drive of the plurality of output stage circuits with a phase difference provided in the switching drive of the plurality of output stage circuits. a switching control unit, wherein an output transistor is provided between the input voltage application terminal and the corresponding switch terminal in each output stage circuit, so that the plurality of output stage circuits are provided with a plurality of output transistors. , the switching control unit includes an on-time setting unit that sets the on-time of each output transistor, a current detection unit that detects a plurality of target currents flowing through the plurality of switch terminals, and a current detection unit that detects a magnitude relationship of the plurality of target currents. a current balance signal generation unit that generates a current balance signal according to the current balance signal, and the on-time setting unit adjusts the on-time of each output transistor based on the current balance signal to adjust the current balance between the plurality of target currents. This is a configuration (seventh configuration) that reduces the difference in .
上記第7の構成に係る半導体装置に関し、前記複数の対象電流は第1及び第2対象電流を含み、前記複数の出力トランジスタは前記第1対象電流が流れるスイッチ端子に接続された第1出力トランジスタ及び前記第2対象電流が流れるスイッチ端子に接続された第2出力トランジスタを含み、前記オン時間設定部は、前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも大きいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を減少補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を増大補正し、前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも小さいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を増大補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を減少補正する構成(第8の構成)であっても良い。 Regarding the semiconductor device according to the seventh configuration, the plurality of target currents include first and second target currents, and the plurality of output transistors are first output transistors connected to a switch terminal through which the first target current flows. and a second output transistor connected to a switch terminal through which the second target current flows; the on-time of the first output transistor is corrected to decrease while the on-time of the second output transistor is corrected to increase, and when the first target current is smaller than the second target current, based on the current balance signal. The on-time of the first output transistor may be corrected to increase while the on-time of the second output transistor is corrected to decrease (eighth configuration).
本開示に係る降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータは、上記第1~第8の構成の何れかに係る半導体装置と、前記出力電圧が加わる出力端子と前記複数のスイッチ端子との間に設けられた複数のコイルと、前記出力端子とグランドとの間に設けられた出力コンデンサと、を備えた降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータであって、前記複数のスイッチ電圧を前記複数のコイル及び前記出力コンデンサにより整流及び平滑化することで前記出力端子に前記出力電圧を生成する構成(第9の構成)である。 A step-down multi-phase DC/DC converter according to the present disclosure is provided between the semiconductor device according to any one of the first to eighth configurations, an output terminal to which the output voltage is applied, and the plurality of switch terminals. A step-down multi-phase DC/DC converter, comprising: a plurality of coils; and an output capacitor provided between the output terminal and ground; This is a configuration (ninth configuration) in which the output voltage is generated at the output terminal by rectification and smoothing using a capacitor.
本開示によれば、特性の向上に寄与する半導体装置及び降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータを提供することが可能となる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a semiconductor device and a step-down multiphase DC/DC converter that contribute to improved characteristics.
以下、本開示の実施形態の例を、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。尚、本明細書では、記述の簡略化上、情報、信号、物理量、素子又は部位等を参照する記号又は符号を記すことによって、該記号又は符号に対応する情報、信号、物理量、素子又は部位等の名称を省略又は略記することがある。例えば、後述の“210”によって参照される電流バランス信号生成部は(図1参照)、電流バランス信号生成部210と表記されることもあるし、生成部210と略記されることもあり得るが、それらは全て同じものを指す。
Examples of embodiments of the present disclosure will be specifically described below with reference to the drawings. In each referenced figure, the same parts are given the same reference numerals, and overlapping explanations regarding the same parts will be omitted in principle. In this specification, for the purpose of simplifying the description, by writing symbols or codes that refer to information, signals, physical quantities, elements, parts, etc., information, signals, physical quantities, elements, parts, etc. that correspond to the symbols or codes are indicated. Names such as names may be omitted or abbreviated. For example, the current balance signal generation section referred to by "210" (see FIG. 1), which will be described later, may be referred to as the current balance
まず、本開示の実施形態の記述にて用いられる幾つかの用語について説明を設ける。グランドとは、基準となる0V(ゼロボルト)の電位を有する基準導電部を指す又は0Vの電位そのものを指す。基準導電部は金属等の導体にて形成される。0Vの電位をグランド電位と称することもある。本開示の実施形態において、特に基準を設けずに示される電圧は、グランドから見た電位を表す。 First, some terms used in the description of the embodiments of the present disclosure will be explained. The ground refers to a reference conductive portion having a reference potential of 0V (zero volts), or refers to the 0V potential itself. The reference conductive part is formed of a conductor such as metal. The potential of 0V is sometimes referred to as a ground potential. In embodiments of the present disclosure, voltages shown without particular reference represent potentials as seen from ground.
レベルとは電位のレベルを指し、任意の注目した信号又は電圧についてハイレベルはローレベルよりも高い電位を有する。任意の注目した信号又は電圧について、信号又は電圧がハイレベルにあるとは信号又は電圧のレベルがハイレベルにあることを意味し、信号又は電圧がローレベルにあるとは信号又は電圧のレベルがローレベルにあることを意味する。信号についてのレベルは信号レベルと表現されることがあり、電圧についてのレベルは電圧レベルと表現されることがある。任意の注目した信号について、当該信号がハイレベルであるとき、当該信号の反転信号はローレベルをとり、当該信号がローレベルであるとき、当該信号の反転信号はハイレベルをとる。 Level refers to the level of potential, with a high level having a higher potential than a low level for any signal or voltage of interest. For any signal or voltage of interest, a signal or voltage at a high level means that the signal or voltage level is at a high level, and a signal or voltage at a low level means that a signal or voltage level is at a high level. It means that it is at a low level. The level of a signal may be expressed as a signal level, and the level of a voltage may be expressed as a voltage level. Regarding any signal of interest, when the signal is at a high level, the inverted signal of the signal takes a low level, and when the signal is at a low level, the inverted signal of the signal takes a high level.
任意の注目した信号又は電圧において、ローレベルからハイレベルへの切り替わりをアップエッジと称し、ローレベルからハイレベルへの切り替わりのタイミングをアップエッジタイミングと称する。同様に、任意の注目した信号又は電圧において、ハイレベルからローレベルへの切り替わりをダウンエッジと称し、ハイレベルからローレベルへの切り替わりのタイミングをダウンエッジタイミングと称する。 In any signal or voltage of interest, switching from a low level to a high level is called an up edge, and the timing of switching from a low level to a high level is called an up edge timing. Similarly, in any given signal or voltage of interest, switching from a high level to a low level is called a down edge, and the timing of switching from a high level to a low level is called a down edge timing.
MOSFETを含むFET(電界効果トランジスタ)として構成された任意のトランジスタについて、オン状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が導通している状態を指し、オフ状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が非導通となっている状態(遮断状態)を指す。FETに分類されないトランジスタについても同様である。MOSFETは、特に記述無き限り、エンハンスメント型のMOSFETであると解される。MOSFETは“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”の略称である。 Regarding any transistor configured as a FET (field effect transistor) including a MOSFET, an on state refers to a state in which the drain and source of the transistor are electrically connected, and an off state refers to a state in which the drain and source of the transistor are electrically connected. Refers to the state where there is no conduction between the two (blocked state). The same applies to transistors that are not classified as FETs. The MOSFET is understood to be an enhancement type MOSFET unless otherwise specified. MOSFET is an abbreviation for "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor."
以下、任意のトランジスタについて、オン状態、オフ状態を、単に、オン、オフと表現することもある。任意のトランジスタについて、オフ状態からオン状態への切り替わりをターンオンと表現し、オン状態からオフ状態への切り替わりをターンオフと表現する。ターンオンが発生するタイミングをターンオンタイミングと称し、ターンオフが発生するタイミングをターンオフタイミングと称する。任意のトランジスタについて、トランジスタがオン状態となっている区間をオン区間と称することがあり、トランジスタがオフ状態となっている区間をオフ区間と称することがある。 Hereinafter, the on state and off state of any transistor may be simply expressed as on and off. For any transistor, switching from an off state to an on state is expressed as turn-on, and switching from an on state to an off state is expressed as turn-off. The timing at which turn-on occurs is referred to as turn-on timing, and the timing at which turn-off occurs is referred to as turn-off timing. Regarding any transistor, a period in which the transistor is in an on state is sometimes referred to as an on period, and a period in which the transistor is in an off state is sometimes referred to as an off period.
ハイレベル又はローレベルの信号レベルをとる任意の信号について、当該信号のレベルがハイレベルとなる区間をハイレベル区間と称し、当該信号のレベルがローレベルとなる区間をローレベル区間と称する。ハイレベル又はローレベルの電圧レベルをとる任意の電圧についても同様である。 Regarding any signal having a signal level of high level or low level, a section where the level of the signal is high level is called a high level section, and a section where the level of the signal is low level is called a low level section. The same applies to any voltage that takes a high or low voltage level.
<<導入説明>>
降圧型DC/DCコンバータでは、出力トランジスタ及び同期整流トランジスタの直列回路から成る出力段回路で入力電圧をスイッチングし、スイッチングで得た矩形状の電圧をコイル及びコンデンサで整流及び平滑化することで出力電圧を得る。この種の降圧型DC/DCコンバータでは高い負荷応答性能と小型化が要求されることも多く、用途によっては要求の度合いが非常に大きい。
<<Introduction explanation>>
In a step-down DC/DC converter, the input voltage is switched in an output stage circuit consisting of a series circuit of an output transistor and a synchronous rectifier transistor, and the rectangular voltage obtained by switching is output by rectifying and smoothing it with a coil and a capacitor. Get voltage. This type of step-down DC/DC converter is often required to have high load response performance and miniaturization, and depending on the application, the degree of the requirement is very large.
高い負荷応答性能に適した制御方式としてコンスタントオンタイム制御方式が知られている。コンスタントオンタイム制御方式は、出力トランジスタをスイッチング駆動する際、出力トランジスタのオン時間が一定とされ、出力トランジスタのオフ時間を調整することで出力電圧を安定化させる。 A constant on-time control method is known as a control method suitable for high load response performance. In the constant on-time control method, when the output transistor is switched and driven, the on-time of the output transistor is kept constant, and the output voltage is stabilized by adjusting the off-time of the output transistor.
一方で、コイルに大きな電流を流す必要がある用途において、コイルが1つであるとき、定格及び発熱等の関係から、コイルのサイズを大きくする必要がある。コイルのサイズが大きくなると、それに伴って、降圧型DC/DCコンバータのサイズ及び降圧型DC/DCコンバータを組み込んだ装置のサイズも大きくなる(つまり小型化が難しくなる)。小型化に寄与する駆動方式としてマルチフェーズ駆動方式がある。 On the other hand, in applications where a large current needs to flow through the coil, when there is only one coil, it is necessary to increase the size of the coil due to ratings, heat generation, etc. As the size of the coil increases, the size of the step-down DC/DC converter and the size of the device incorporating the step-down DC/DC converter also increase (that is, it becomes difficult to miniaturize). There is a multi-phase drive method as a drive method that contributes to miniaturization.
マルチフェーズ駆動方式を採用した降圧型DC/DCコンバータでは、図13に示すように、出力トランジスタ911を含む出力段回路910が複数チャネル分用意され、複数の出力段回路910が位相をずらした状態でスイッチング駆動される。図13の構成では、出力段回路910が2相分設けられているため、180°の位相差を設けて2つの出力段回路910がスイッチング駆動され、第1及び第2のコイル920間の接続ノードに出力電圧Voが生じる。出力電流(負荷電流)が2つのコイル920に分担されて流れるため、コイル1つあたりに流れる電流の大きさが低減される。故にコイルのサイズを小さくすることができる。また、出力リプルの低減にも効果的である。
In a step-down DC/DC converter that adopts a multi-phase drive method, as shown in FIG. 13,
但し、図13の構成では、いわゆる電流モード制御方式が採用されており、コンスタントオンタイム制御方式との比較において負荷応答性能が低い。故に、従来、高い負荷応答性能が要求される用途では、コンスタントオンタイム制御方式を採用した降圧型DC/DCコンバータが選ばれるのが一般であった。尚、図13の構成のように、固定クロックで出力トランジスタ(図13ではトランジスタ911)をスイッチングする制御は線型制御と称されることがあり、コンスタントオンタイム制御方式で出力トランジスタをスイッチングする制御は非線型制御と称されることがある。
However, in the configuration of FIG. 13, a so-called current mode control method is adopted, and the load response performance is lower than that of the constant on-time control method. Therefore, conventionally, in applications requiring high load response performance, a step-down DC/DC converter employing a constant on-time control method has generally been selected. Note that, as in the configuration of FIG. 13, control that switches the output transistor (
仮に、コンスタントオンタイム制御方式又はそれに類する方式とマルチフェーズ駆動方式とを組み合わせることができたならば、高い負荷応答性能と小型化を同時に実現することができ、極めて有益である。 If it were possible to combine the constant on-time control method or a similar method with the multi-phase drive method, it would be extremely beneficial to achieve high load response performance and miniaturization at the same time.
但し、コンスタントオンタイム制御方式を用いるDC/DCコンバータを複数設けて、それらを単純に並列駆動する単純並列構成では、良好な特性は得られない。単純並列構成では、各DC/DCコンバータが自身の出力トランジスタを出力電圧に応じ独立してオン/オフすることになるため、複数の出力トランジスタが同時にオンとなるといった挙動が想定される(つまりマルチフェーズ駆動が実現されない)。マルチフェーズ駆動の実現には、出力段回路のスイッチング駆動に適切な位相差を確保する技術(以下、便宜上、位相差確保技術と称する)が必要である。 However, good characteristics cannot be obtained with a simple parallel configuration in which a plurality of DC/DC converters using a constant on-time control method are provided and they are simply driven in parallel. In a simple parallel configuration, each DC/DC converter turns on/off its own output transistor independently depending on the output voltage, so it is assumed that multiple output transistors will turn on at the same time (i.e., multiple phase drive is not realized). Achieving multi-phase drive requires a technique for ensuring an appropriate phase difference for switching drive of the output stage circuit (hereinafter referred to as a phase difference ensuring technique for convenience).
また、マルチフェーズ駆動を行う際において、複数のコイルに流れる電流の大きさがばらつけば(例えば図13の構成であれば、2つのコイル920に流れる電流の内、一方が大きく他方が小さいような状況では)、DC/DCコンバータの効率が低下する。このため、複数のコイルに流れる電流の大きさが均一とする技術(以下、電流バランス技術と称する)も望まれる。
Furthermore, when performing multi-phase drive, if the magnitude of the current flowing through multiple coils varies (for example, in the configuration shown in FIG. 13, one of the currents flowing through two
<<第1実施形態>>
本開示の第1実施形態を説明する。図1に本開示の第1実施形態に係るDC/DCコンバータ10の全体構成を示す。DC/DCコンバータ10は、上述の位相差確保技術及び電流バランス技術の双方を実現する降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータであり、入力電圧VINを降圧することで出力電圧VOUTを生成する。
<<First embodiment>>
A first embodiment of the present disclosure will be described. FIG. 1 shows the overall configuration of a DC/
入力電圧VINは正の直流電圧であり、例えば、4.0V~18.0Vの範囲内の電圧値を有する。出力電圧VOUTは入力電圧VINより低く、DC/DCコンバータ10の過渡状態を除けば、安定化された正の直流電圧値を有する。出力電圧VOUTの目標値(後述の目標電圧VTGの値)は、例えば、0.6V~3.4Vの範囲内の電圧値を有する。
The input voltage V IN is a positive DC voltage, and has a voltage value within the range of 4.0V to 18.0V, for example. The output voltage V OUT is lower than the input voltage V IN and has a stabilized positive DC voltage value except for the transient state of the DC/
DC/DCコンバータ10は、誤差電圧生成部110と、脈波生成部120A及び120Bと、PWMコンパレータ130と、位相制御ロジック140と、TON設定部150A及び150Bと、PLL回路160と、出力段駆動部170A及び170Bと、出力段回路180A及び180Bと、電流センサ190A及び190Bと、保護回路200A及び200Bと、電流バランス信号生成部210と、コイルL1及びL2と、出力コンデンサCOUTと、を備える。また、DC/DCコンバータ10は、入力端子251A及び251Bと、スイッチ端子252A及び252Bと、グランド端子253A及び253Bと、出力端子254とを備えると共に、後述の各ノードを備える。尚、単一の入力端子が入力端子251A及び251Bとして兼用されて良く、単一のグランド端子がグランド端子253A及び253Bとして兼用されても良い。
The DC/
DC/DCコンバータ10は、2相分の出力段回路180A及び180Bを備え、180°の位相差(又は180°に近い位相差)をつけて出力段回路180A及び180Bをスイッチング駆動することによりマルチフェーズ駆動を実現する。2相分のマルチフェーズ駆動における一方の相を第1相と称し、他方の相を第2相と称する。ブロック150A、170A、180A、190A及び200Aは、第1相におけるTON設定部、出力段駆動部、出力段回路、電流センサ及び保護回路であり、ブロック150B、170B、180B、190B及び200Bは、第2相におけるTON設定部、出力段駆動部、出力段回路、電流センサ及び保護回路である。
The DC/
DC/DCコンバータ10の特徴的な動作を簡単に説明する。DC/DCコンバータ10では、180°の位相差(又は180°に近い位相差)を確保するべく、PWMコンパレータ130によりオンタイミング列を示す信号COMPを生成し、オンタイミング列における複数のオンタイミングを信号COMP1及びCOMP2に対して交互に割り当てることで、第1相の出力トランジスタ(181A)のオンタイミングを示す信号COMP1と第2相の出力トランジスタ(181B)のオンタイミングを示す信号COMP2を生成する(図2参照)。
The characteristic operation of the DC/
その上で、出力段回路180A及び180Bの各スイッチング周波数が所定の基準周波数fCLKと一致又は近似するようにPLL回路160を用いて出力トランジスタ181A、181Bのオン時間を設定(調整)する。DC/DCコンバータ10の安定状態においてPLL回路160はロック状態にあり、出力段回路180A及び180Bのスイッチング周波数(駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数)は実質的に基準周波数fCLKで固定されると共に、その時の負荷電流(出力電流IOUTに相当)に適した時間に各相の出力トランジスタ(181A、181B)のオン時間が実質的に固定される。つまり、コンスタントオンタイム制御方式に類するオン時間の制御が実現される。更に、この際、電流バランス信号生成部210の機能により第1相のコイル電流(IL1)と第2相のコイル電流(IL2)を均一に調整する。
Then, the ON time of the
DC/DCコンバータ10の各部の構成及び動作を詳細に説明する。図2は、DC/DCコンバータ10に関わる幾つかの電流、電圧及び信号の波形図であり、以下の説明において適宜参照される。
The configuration and operation of each part of the DC/
まず出力段回路180A及び180B及びその周辺回路を説明する。出力段回路180Aはトランジスタ181A及び182Aから成るハーフブリッジ回路である。トランジスタ181A及び182AはNチャネル型のMOSFETとして構成される。トランジスタ181Aのドレインは入力端子251Aに接続され、トランジスタ182Aのソースはグランド端子253Aに接続される。トランジスタ181Aのソース及びトランジスタ182Aのドレインはスイッチ端子252Aに共通接続される。スイッチ端子252AはコイルL1の一端に接続され、コイルL1の他端は出力端子254に接続される。出力段回路180Bはトランジスタ181B及び182Bから成るハーフブリッジ回路である。トランジスタ181B及び182BはNチャネル型のMOSFETとして構成される。トランジスタ181Bのドレインは入力端子251Bに接続され、トランジスタ182Bのソースはグランド端子253Bに接続される。トランジスタ181Bのソース及びトランジスタ182Bのドレインはスイッチ端子252Bに共通接続される。スイッチ端子252BはコイルL2の一端に接続され、コイルL2の他端は出力端子254に接続される。入力端子251A及び251Bは入力電圧VINの印可端(入力電圧VINが加わる端子)に接続され、入力電圧VINを受ける。グランド端子253A及び253Bはグランドに接続される。出力端子254とグランドとの間に出力コンデンサCOUTが設けられ、出力端子254に出力電圧VOUTが加わる。
First, the
出力コンデンサCOUTに並列に負荷LDが接続され、負荷LDは出力電圧VOUTに基づいて駆動する。出力端子254から負荷LDに供給される電流を出力電流又は負荷電流と称し、記号“IOUT”にて表す。
A load LD is connected in parallel to the output capacitor C OUT , and the load LD is driven based on the output voltage V OUT . The current supplied from the
第1相において、トランジスタ181Aは出力トランジスタとして機能し、トランジスタ182Aは同期整流トランジスタとして機能する。故に、トランジスタ181A、182Aを、夫々、出力トランジスタ181A、同期整流トランジスタ182Aと称することがある。また、スイッチ端子252Aに加わる電圧をスイッチ電圧VLX1と称する。尚、ここではトランジスタ181A及び182Aのオン抵抗は十分に小さいと考える。
In the first phase,
出力段回路180Aの状態は出力ハイ状態、出力ロー状態及びHi-Z状態の何れかとなる。出力段回路180Aの出力ハイ状態において、トランジスタ181Aはオン状態且つトランジスタ182Aはオフ状態であり、実質的に入力電圧VINと同じ電圧がスイッチ電圧VLX1として表れる。出力段回路180Aの出力ロー状態において、トランジスタ181Aはオフ状態且つトランジスタ182Aはオン状態であり、実質的にグランドの電圧(即ち0Vの電圧)がスイッチ電圧VLX1として表れる。出力段回路180AのHi-Z状態ではトランジスタ181A及び182Aが共にオフ状態とされる。
The state of the
出力段回路180Aにおいてトランジスタ181A及び182Aが交互にオン及びオフされることで、入力電圧VINがスイッチングされ、スイッチ電圧VLX1は矩形波状の電圧となる(図2参照)。出力段回路180Aのスイッチング周波数(換言すれば出力トランジスタ181Aのスイッチング周波数)を記号“fSW1”にて表す。スイッチング周波数fSW1は、スイッチ電圧VLX1の周波数及び後述の駆動制御信号DRV1の周波数に等しい。出力段回路180Aが出力ハイ状態であるときに、入力電圧VINの印可端から出力トランジスタ181Aを通じ出力端子254に向けて入力電圧VINに基づく電力が供給される。このため、出力段回路180Aのスイッチングの各周期において出力段回路180Aが出力ハイ状態とされる時間(即ち出力トランジスタ181Aがオン状態とされる時間)は、第1相のオン時間又は単にオン時間と称され、記号“TON1”にて表される。
By alternately turning on and off the
第2相において、トランジスタ181Bは出力トランジスタとして機能し、トランジスタ182Bは同期整流トランジスタとして機能する。故に、トランジスタ181B、182Bを、夫々、出力トランジスタ181B、同期整流トランジスタ182Bと称することがある。また、スイッチ端子252Bに加わる電圧をスイッチ電圧VLX2と称する。尚、ここではトランジスタ181B及び182Bのオン抵抗は十分に小さいと考える。
In the second phase,
出力段回路180Bの状態は出力ハイ状態、出力ロー状態及びHi-Z状態の何れかとなる。出力段回路180Bの出力ハイ状態において、トランジスタ181Bはオン状態且つトランジスタ182Bはオフ状態であり、実質的に入力電圧VINと同じ電圧がスイッチ電圧VLX2として表れる。出力段回路180Bの出力ロー状態において、トランジスタ181Bはオフ状態且つトランジスタ182Bはオン状態であり、実質的にグランドの電圧(即ち0Vの電圧)がスイッチ電圧VLX2として表れる。出力段回路180BのHi-Z状態ではトランジスタ181B及び182Bが共にオフ状態とされる。
The state of the
出力段回路180Bにおいてトランジスタ181B及び182Bが交互にオン及びオフされることで、入力電圧VINがスイッチングされ、スイッチ電圧VLX2は矩形波状の電圧となる(図2参照)。出力段回路180Bのスイッチング周波数(換言すれば出力トランジスタ181Bのスイッチング周波数)を記号“fSW2”にて表す。スイッチング周波数fSW2は、スイッチ電圧VLX2の周波数及び後述の駆動制御信号DRV2の周波数に等しい。出力段回路180Bが出力ハイ状態であるときに、入力電圧VINの印可端から出力トランジスタ181Bを通じ出力端子254に向けて入力電圧VINに基づく電力が供給される。このため、出力段回路180Bのスイッチングの各周期において出力段回路180Bが出力ハイ状態とされる時間(即ち出力トランジスタ181Bがオン状態とされる時間)は、第2相のオン時間又は単にオン時間と称され、記号“TON2”にて表される。
By alternately turning on and off
コイルL1、コイルL2及び出力コンデンサCOUTにより整流平滑回路が構成される。スイッチ端子252A及び252Bに現れる矩形波状のスイッチ電圧VLX1及びVLX2が整流平滑回路により整流及び平滑化されることで出力電圧VOUTが生成される。尚、コイルL1に流れる電流、コイルL2に流れる電流を、夫々、コイル電流IL1、コイル電流IL2と称する。スイッチ端子252Aから出力端子254へと向かうコイル電流IL1の極性が正であるとし、スイッチ端子252Bから出力端子254へと向かうコイル電流IL2の極性が正であるとする。
A rectifying and smoothing circuit is configured by the coil L1, the coil L2, and the output capacitor COUT . The output voltage V OUT is generated by rectifying and smoothing the rectangular waveform switch voltages V LX1 and V LX2 appearing at the
出力段回路180A及び180Bの前段回路を含む他の回路の構成及び動作を説明する。誤差電圧生成部110は、エラーアンプ111と、分圧抵抗である抵抗112及び113と、帰還抵抗である抵抗114と、ノード115を備える。ノード115は帰還入力端子に相当し、ノード115にはフィードバック電圧VFBが加わる。フィードバック電圧VFBは出力電圧VOUTに比例する電圧である。ここでは、出力電圧VOUTそのものがフィードバック電圧VFBであるとするが、出力電圧VOUTの分圧等がフィードバック電圧VFBであっても構わない。ノード115は抵抗112の一端に接続され、抵抗112の他端はエラーアンプ111の反転入力端子に接続されると共に抵抗113を介してグランドに接続される。エラーアンプ111の非反転入力端子には所定の基準電圧VREFが印可される。基準電圧VREFは所定の正の直流電圧値を有する。エラーアンプ111の出力端子は抵抗114を介してエラーアンプ111の反転入力端子に接続される。このため、エラーアンプ111及び抵抗112~114により反転増幅器が構成される。フィードバック電圧VFBに比例する電圧(エラーアンプ111の反転入力端子に加わる電圧)と基準電圧VREFとの差分に応じた誤差電圧VERRがエラーアンプ111の出力端子から出力される。
The configuration and operation of other circuits including the preceding stage circuits of the
脈波生成部120Aは、抵抗121A及び122A、コンデンサ123A、並びに、ノード124A及び125Aを備えると共に、リプル注入部126Aを備える。ノード124Aはノード115に接続され、故にノード124Aにもフィードバック電圧VFBが加わる。抵抗121A及びコンデンサ123Aの各一端はノード124Aに共通接続され、抵抗121A及びコンデンサ123Aの各他端はノード125Aに共通接続される。ノード125Aは抵抗122Aを介してグランドに接続される。
The pulse
抵抗121A及び122Aの機能によりノード125Aにフィードバック電圧VFBの分圧が生成される。リプル注入部126Aは、ノード124A及びノード125Aに接続され、抵抗121A及び122Aの機能によりノード125Aに生じた電圧(フィードバック電圧VFBの分圧)に対しリプルを注入することでノード125Aに脈流電圧を発生させる。ノード125Aに生じる脈流電圧をフィードバック脈流電圧VFBIN1と称する。フィードバック脈流電圧VFBIN1はスイッチ電圧VLX1と連動して変動する電圧である。つまり、フィードバック脈流電圧VFBIN1は、スイッチ電圧VLX1のハイレベル区間(即ち出力トランジスタ181Aのオン区間)において単調増加し、スイッチ電圧VLX1のローレベル区間(即ち出力トランジスタ181Aのオフ区間)において単調減少する。従って、フィードバック脈流電圧VFBIN1はコイル電流IL1の波形に類似した波形を持つ(図2参照)。リプル注入部126Aによるリプルを後述の駆動制御信号DRV1やスイッチ電圧VLX1に基づいて生成することができる。
The function of
脈波生成部120Bは、抵抗121B及び122B、コンデンサ123B、並びに、ノード124B及び125Bを備えると共に、リプル注入部126Bを備える。ノード124Bはノード115に接続され、故にノード124Bにもフィードバック電圧VFBが加わる。抵抗121B及びコンデンサ123Bの各一端はノード124Bに共通接続され、抵抗121B及びコンデンサ123Bの各他端はノード125Bに共通接続される。ノード125Bは抵抗122Bを介してグランドに接続される。
Pulse
抵抗121B及び122Bの機能によりノード125Bにフィードバック電圧VFBの分圧が生成される。リプル注入部126Bは、ノード124B及びノード125Bに接続され、抵抗121B及び122Bの機能によりノード125Bに生じた電圧(フィードバック電圧VFBの分圧)に対しリプルを注入することでノード125Bに脈流電圧を発生させる。ノード125Bに生じる脈流電圧をフィードバック脈流電圧VFBIN2と称する。フィードバック脈流電圧VFBIN2はスイッチ電圧VLX2と連動して変動する電圧である。つまり、フィードバック脈流電圧VFBIN2は、スイッチ電圧VLX2のハイレベル区間(即ち出力トランジスタ181Bのオン区間)において単調増加し、スイッチ電圧VLX2のローレベル区間(即ち出力トランジスタ181Bのオフ区間)において単調減少する。従って、フィードバック脈流電圧VFBIN2はコイル電流IL2の波形に類似した波形を持つ(図2参照)。リプル注入部126Bによるリプルを後述の駆動制御信号DRV2やスイッチ電圧VLX2に基づいて生成することができる。
The function of
尚、脈波生成部120Aでの抵抗121A及び122Aによるフィードバック電圧VFBの分圧比(即ち抵抗121A及び122Aの抵抗値の比)と、脈波生成部120Bでの抵抗121B及び122Bによるフィードバック電圧VFBの分圧比(即ち抵抗121B及び122Bの抵抗値の比)とは、互いに一致している。このため、フィードバック脈流電圧VFBIN1の直流成分の値と、フィードバック脈流電圧VFBIN2の直流成分の値は同じとなる。
Note that the feedback voltage V caused by the
PWMコンパレータ130は、第1及び第2非反転入力端子、反転入力端子及び出力端子を有する。PWMコンパレータ130において、第1、第2非反転入力端子に夫々フィードバック脈流電圧VFBIN1、VFBIN2が入力され、反転入力端子に誤差電圧VERRが入力される。PWMコンパレータ130は、第1及び第2差動アンプを内蔵し、フィードバック脈流電圧VFBIN1及び誤差電圧VERR間の差分(VFBIN1-VERR)に応じた第1差分信号を第1差動アンプで生成すると共に、フィードバック脈流電圧VFBIN2及び誤差電圧VERR間の差分(VFBIN2-VERR)に応じた第2差分信号を第2差動アンプにて生成する。そして、PWMコンパレータ130は、上記の2つの差分の和(VFBIN1+VFBIN2-2・VERR)に基づき、フィードバック脈流電圧VFBIN1及びVFBIN2の平均電圧と誤差電圧VERRを比較して比較結果を信号COMPとして出力する。
フィードバック脈流電圧VFBIN1及びVFBIN2の平均電圧を記号“VFBIN_AVE”にて表す。平均電圧VFBIN_AVEは、“VFBIN_AVE=(VFBIN1+VFBIN2)/2”にて表される。PWMコンパレータ130は、図2に示す如く、“VFBIN_AVE>VERR”が成立する区間において信号COMPをローレベルに維持し、“VFBIN_AVE>VERR”から“VFBIN_AVE<VERR”へと切り替わると、その切り替わりのたびに、切り替わりタイミングを起点に所定の微小時間だけ信号COMPをハイレベルとしてからローレベルに戻す(即ち1ショットパルスを発生させる)。尚、図2には、コイル電流IL1及びIL2の平均電流IL_AVEの波形も示されており、フィードバック脈流電圧VFBIN1及びVFBIN2とコイル電流IL1及びIL2との対応関係から平均電圧VFBIN_AVEは平均電流IL_AVEに類似した波形を持つことになる。
The average voltage of the feedback pulsating voltages V FBIN1 and V FBIN2 is represented by the symbol "V FBIN_AVE ". The average voltage V FBIN_AVE is expressed as "V FBIN_AVE = (V FBIN1 +V FBIN2 )/2". As shown in FIG. 2, the
信号COMPの各アップエッジタイミングは、出力トランジスタ181A及び181Bの何れか一方のオンタイミングを表している。つまり、信号COMPの各アップエッジタイミングは、出力トランジスタ181Aがターンオンすべきタイミング(即ち出力段回路180Aの状態が出力ハイ状態に切り替えられるべきタイミング)、又は、出力トランジスタ181Bがターンオンすべきタイミング(即ち出力段回路180Bの状態が出力ハイ状態に切り替えられるべきタイミング)を表している。信号COMPのアップエッジは“VFBIN_AVE>VERR”から“VFBIN_AVE<VERR”へと切り替わるごとに発生するため、信号COMPによりオンタイミング列が規定される。オンタイミング列は時系列上に並ぶ複数のオンタイミングから成る。
Each up edge timing of the signal COMP represents the on timing of either one of the
位相制御ロジック140は信号COMPから信号COMP1及びCOMP2を生成して出力する。より具体的には、位相制御ロジック140は、信号COMPに含まれる複数のオンタイミングを示す複数のパルスを交互に信号COMP1及びCOMP2に分配することで信号COMP1及びCOMP2を生成する。より明確に説明すれば以下のような動作が実行される。即ち、位相制御ロジック140は信号COMP1及びCOMP2のレベルを原則としてローレベルに保ち、信号COMPに奇数回目のアップエッジが生じたときには、信号COMPのアップエッジに同期して信号COMP1にもアップエッジを生じさせ、所定の微小時間だけ信号COMP1をハイレベルとしてからローレベルに戻す。信号COMPに偶数回目のアップエッジが生じたときには、信号COMPのアップエッジに同期して信号COMP2にもアップエッジを生じさせ、所定の微小時間だけ信号COMP2をハイレベルとしてからローレベルに戻す。
The
TON設定部150Aは、信号COMP1に基づき、出力段回路180Aの状態を指定する駆動制御信号DRV1を生成する。TON設定部150Aはオン時間TON1を設定する機能を有し、駆動制御信号DRV1により、出力トランジスタ181Aのターンオンタイミング(換言すれば出力段回路180Aの出力ロー状態から出力ハイ状態への切り替わりタイミング)と、出力トランジスタ181Aのオン時間、即ちオン時間TON1と、が規定される。この際、TON設定部150Aは、PLL回路160から入力される信号SPLL及び電流バランス信号生成部210から入力される電流バランス信号SCB1を参照して、駆動制御信号DRV1を生成する(詳細は後述)。
The
駆動制御信号DRV1はローレベル又はハイレベルの信号レベルをとる二値化信号であり、駆動制御信号DRV1により出力トランジスタ181Aのオン区間及びオフ区間が指定される。ここでは、駆動制御信号DRV1のハイレベル区間が出力トランジスタ181Aのオン区間(出力段回路180Aが出力ハイ状態とされるべき区間)に対応付けられ、駆動制御信号DRV1のローレベル区間が出力トランジスタ181Aのオフ区間(出力段回路180Aが出力ロー状態とされるべき区間)に対応付けられているものとする。信号COMP1のアップエッジタイミングが出力トランジスタ181Aのターンオンタイミングに相当し、出力トランジスタ181Aのターンオンからオン時間TON1の経過後に出力トランジスタ181Aがターンオフされるので、TON設定部150Aは、信号COMP1とオン時間TON1の設定内容とに基づき出力トランジスタ181Aのオン区間及びオフ区間を設定する、とも言える。
The drive control signal DRV1 is a binary signal that takes a signal level of low level or high level, and the on period and off period of the
TON設定部150Bは、信号COMP2に基づき、出力段回路180Bの状態を指定する駆動制御信号DRV2を生成する。TON設定部150Bはオン時間TON2を設定する機能を有し、駆動制御信号DRV2により、出力トランジスタ181Bのターンオンタイミング(換言すれば出力段回路180Bの出力ロー状態から出力ハイ状態への切り替わりタイミング)と、出力トランジスタ181Bのオン時間、即ちオン時間TON2と、が規定される。この際、PLL回路160から入力される信号SPLL及び電流バランス信号生成部210から入力される電流バランス信号SCB2を参照して、駆動制御信号DRV2が生成される(詳細は後述)。
The
駆動制御信号DRV2はローレベル又はハイレベルの信号レベルをとる二値化信号であり、駆動制御信号DRV2により出力トランジスタ181Bのオン区間及びオフ区間が指定される。ここでは、駆動制御信号DRV2のハイレベル区間が出力トランジスタ181Bのオン区間(出力段回路180Bが出力ハイ状態とされるべき区間)に対応付けられ、駆動制御信号DRV2のローレベル区間が出力トランジスタ181Bのオフ区間(出力段回路180Bが出力ロー状態とされるべき区間)に対応付けられているものとする。信号COMP2のアップエッジタイミングが出力トランジスタ181Bのターンオンタイミングに相当し、出力トランジスタ181Bのターンオンからオン時間TON2の経過後に出力トランジスタ181Bがターンオフされるので、TON設定部150Bは、信号COMP2とオン時間TON2の設定内容とに基づき出力トランジスタ181Bのオン区間及びオフ区間を設定する、とも言える。
The drive control signal DRV2 is a binary signal that takes a signal level of low level or high level, and the on period and off period of the
PLL回路160は位相同期回路である。PLL回路160には、所定の基準周波数fCLKを有する矩形波信号である基準クロック信号CLKと、TON設定部150Aから出力される駆動制御信号DRV1が入力される。PLL回路160は、基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差(即ち基準クロック信号CLKの位相と駆動制御信号DRV1の位相との差)に応じた信号SPLLをTON設定部150A及び150Bに出力する。
出力段駆動部170Aは駆動制御信号DRV1に基づいて出力段回路180Aのスイッチング駆動を行う。出力段回路180Aのスイッチング駆動は出力段回路180Aの状態を出力ロー状態及び出力ハイ状態間で交互に切り替える動作を含む。即ち、出力段駆動部170Aは、トランジスタ181A及び182Aの各ゲート、スイッチ端子252A並びにグランドに接続され、駆動制御信号DRV1のローレベル区間において出力段回路180Aが出力ロー状態となるように、且つ、駆動制御信号DRV1のハイレベル区間において出力段回路180Aが出力ハイ状態となるように、トランジスタ181A及び182Aの各ゲート電圧(詳細にはゲート-ソース間電圧)を制御する(但し、保護回路200Aによる保護動作が非実行であると仮定)。尚、図示されないブートストラップ回路により、入力電圧VINから出力トランジスタ181Aのスイッチングに必要な電圧が生成される。
The output
出力段駆動部170Bは駆動制御信号DRV2に基づいて出力段回路180Bのスイッチング駆動を行う。出力段回路180Bのスイッチング駆動は出力段回路180Bの状態を出力ロー状態及び出力ハイ状態間で交互に切り替える動作を含む。即ち、出力段駆動部170Bは、トランジスタ181B及び182Bの各ゲート、スイッチ端子252B並びにグランドに接続され、駆動制御信号DRV2のローレベル区間において出力段回路180Bが出力ロー状態となるように、且つ、駆動制御信号DRV2のハイレベル区間において出力段回路180Bが出力ハイ状態となるように、トランジスタ181B及び182Bの各ゲート電圧(詳細にはゲート-ソース間電圧)を制御する(但し、保護回路200Bによる保護動作が非実行であると仮定)。尚、図示されないブートストラップ回路により、入力電圧VINから出力トランジスタ181Bのスイッチングに必要な電圧が生成される。
The
電流センサ190Aは第1対象電流を検出する(詳細には第1対象電流の電流値を検出する)。第1対象電流はスイッチ端子252Aを通じて流れる電流である。電流センサ190Aは、出力トランジスタ181Aのソース及びドレイン間に流れる電流又は同期整流トランジスタ182Aのソース及びドレイン間に流れる電流を検出することにより、第1対象電流を検出して良い。トランジスタ181A及び182Aが同時にオンとなるような短絡異常を無視すれば、スイッチ端子252Aを通じて流れる電流はコイルL1を通過するため、第1対象電流はコイル電流IL1でもある。保護回路200Aは、電流センサ190Aの検出結果に基づき、必要に応じ出力段駆動部170Aを制御することで所定の保護動作(過電流保護動作及び負電流保護動作)を行う。
The
電流センサ190Bは第2対象電流を検出する(詳細には第2対象電流の電流値を検出する)。第2対象電流はスイッチ端子252Bを通じて流れる電流である。電流センサ190Bは、出力トランジスタ181Bのソース及びドレイン間に流れる電流又は同期整流トランジスタ182Bのソース及びドレイン間に流れる電流を検出することにより、第2対象電流を検出して良い。トランジスタ181B及び182Bが同時にオンとなるような短絡異常を無視すれば、スイッチ端子252Bを通じて流れる電流はコイルL2を通過するため、第2対象電流はコイル電流IL2でもある。保護回路200Bは、電流センサ190Bの検出結果に基づき、必要に応じ出力段駆動部170Bを制御することで所定の保護動作(過電流保護動作及び負電流保護動作)を行う。
The
電流バランス信号生成部210は、電流センサ190A及び190Bの検出結果を比較することで、オン時間TON1及びTON2を必要に応じて調整(補正)するための電流バランス信号SCB1及びSCB2を生成し、生成した電流バランス信号SCB1及びSCB2を夫々TON設定部150A及び150Bに出力する。
The current balance
図3(a)にリプル注入部126Aの一構成例を含む脈波生成部120Aの回路構成を示し、図3(b)にリプル注入部126Bの一構成例を含む脈波生成部120Bの回路構成を示す。
FIG. 3(a) shows a circuit configuration of the pulse
図3(a)のリプル注入部126Aは、バッファ回路126A_1、抵抗126A_2、コンデンサ126A_3及び126A_4から成る。バッファ回路126A_1の入力端子には駆動制御信号DRV1が入力される。故に、駆動制御信号DRV1のハイレベル区間においてバッファ回路126A_1の出力信号もハイレベルとなり、駆動制御信号DRV1のローレベル区間においてバッファ回路126A_1の出力信号もローレベルとなる。但し、バッファ回路126A_1は、入力電圧VINに比例する電圧(ここではVIN/4)を正側の電源電圧として且つグランドを負側の電源電圧として動作するので、バッファ回路126A_1の出力信号において、ハイレベルは実質的にバッファ回路126A_1の正側の電源電圧(ここではVIN/4)を有し、ローレベルは実質的に0Vの電圧を有する。抵抗126A_2の一端にはバッファ回路126A_1の出力信号が加わり、抵抗126A_2の他端はコンデンサ126A_3を介してノード124Aに接続されると共にコンデンサ126A_4を介してノード125Aに接続される。
The
駆動制御信号DRV1のハイレベル区間、ローレベル区間において、スイッチ電圧VLX1がハイレベル、ローレベルとなるよう制御されるのであるから、図3(a)の構成により、フィードバック電圧VFBを基準にスイッチ電圧VLX1と連動して変動するフィードバック脈流電圧VFBIN1が得られる。フィードバック脈流電圧VFBIN1に関し、フィードバック電圧VFBを基準に変動するとは、フィードバック電圧VFBに比例する電圧(ここでは電圧VFBの分圧)を中心にフィードバック脈流電圧VFBIN1が変動することを指す。 Since the switch voltage VLX1 is controlled to be at high level and low level in the high level section and low level section of the drive control signal DRV1, the switch voltage VLX1 is controlled to be at high level and low level in the high level section and low level section of the drive control signal DRV1 . A feedback pulsating current voltage V FBIN1 is obtained which varies in conjunction with the switch voltage V LX1 . Regarding the feedback pulsating current voltage V FBIN1 , fluctuating based on the feedback voltage V FB means that the feedback pulsating current voltage V FBIN1 fluctuates around a voltage proportional to the feedback voltage V FB (here, a partial voltage of the voltage V FB ). refers to
尚、図3(a)の構成は一例にすぎず、上述と同様の特性のフィードバック脈流電圧VFBIN1が得られる限り、リプル注入部126A及び脈波生成部120Aの回路構成を様々に変更可能である。図3(a)の回路からバッファ回路126A_1を削除し、抵抗126A_2の両端の内、コンデンサ126A_3及び126A_4に接続されていない側の一端に対し、スイッチ電圧VLX1そのもの又はスイッチ電圧VLX1の分圧を入力するようにしても良い。
The configuration shown in FIG. 3(a) is only an example, and the circuit configurations of the
図3(b)のリプル注入部126Bは、バッファ回路126B_1、抵抗126B_2、コンデンサ126B_3及び126B_4から成る。バッファ回路126B_1の入力端子には駆動制御信号DRV2が入力される。故に、駆動制御信号DRV2のハイレベル区間においてバッファ回路126B_1の出力信号もハイレベルとなり、駆動制御信号DRV2のローレベル区間においてバッファ回路126B_1の出力信号もローレベルとなる。但し、バッファ回路126B_1は、入力電圧VINに比例する電圧(ここではVIN/4)を正側の電源電圧として且つグランドを負側の電源電圧として動作するので、バッファ回路126B_1の出力信号において、ハイレベルは実質的にバッファ回路126B_1の正側の電源電圧(ここではVIN/4)を有し、ローレベルは実質的に0Vの電圧を有する。抵抗126B_2の一端にはバッファ回路126B_1の出力信号が加わり、抵抗126B_2の他端はコンデンサ126B_3を介してノード124Bに接続されると共にコンデンサ126B_4を介してノード125Bに接続される。
The
駆動制御信号DRV2のハイレベル区間、ローレベル区間において、スイッチ電圧VLX2がハイレベル、ローレベルとなるよう制御されるのであるから、図3(b)の構成により、フィードバック電圧VFBを基準にスイッチ電圧VLX2と連動して変動するフィードバック脈流電圧VFBIN2が得られる。フィードバック脈流電圧VFBIN2に関し、フィードバック電圧VFBを基準に変動するとは、フィードバック電圧VFBに比例する電圧(ここでは電圧VFBの分圧)を中心にフィードバック脈流電圧VFBIN2が変動することを指す。 Since the switch voltage VLX2 is controlled to be at high level and low level in the high level section and low level section of the drive control signal DRV2, the configuration shown in FIG. A feedback pulsating current voltage V FBIN2 is obtained which varies in conjunction with the switch voltage V LX2 . Regarding the feedback pulsating current voltage V FBIN2 , fluctuating based on the feedback voltage V FB means that the feedback pulsating current voltage V FBIN2 fluctuates around a voltage proportional to the feedback voltage V FB (here, a partial voltage of the voltage V FB ). refers to
尚、図3(b)の構成は一例にすぎず、上述と同様の特性のフィードバック脈流電圧VFBIN2が得られる限り、リプル注入部126B及び脈波生成部120Bの回路構成を様々に変更可能である。図3(b)の回路からバッファ回路126B_1を削除し、抵抗126B_2の両端の内、コンデンサ126B_3及び126B_4に接続されていない側の一端に対し、スイッチ電圧VLX2そのもの又はスイッチ電圧VLX2の分圧を入力するようにしても良い。
The configuration shown in FIG. 3(b) is only an example, and the circuit configurations of the
上述の如く、DC/DCコンバータ10では、誤差電圧生成部110から出力電圧VOUTを生成する部位にまで至る基本帰還ループにより、エラーアンプ111の非反転入力端子及び反転入力端子間の電位差をゼロに維持するための帰還制御が行われ、誤差電圧VERRの調整を通じ、出力電圧VOUTが所定の目標電圧VTGにて安定化される(即ち目標電圧VTGに一致又は近づく)。目標電圧VTGは、抵抗112及び113の抵抗値の比と基準電圧VREFとで定まる。
As described above, in the DC/
駆動制御信号DRV1及びDRV2の生成動作について説明を加える。まず、説明の便宜上、電流バランス信号SCB1及びSCB2の存在を無視し、信号COMP1及びSPLLに基づいて駆動制御信号DRV1を生成する方法並びに信号COMP2及びSPLLに基づいて駆動制御信号DRV2を生成する方法を説明する。PLL回路160は基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差(基準クロック信号CLKの位相と駆動制御信号DRV1の位相との差)がゼロとなるよう、信号SPLLを生成する。基準クロック信号CLKは、駆動制御信号DRV1及びDRV2と同様、ローレベル又はハイレベルの信号レベルを持つ矩形波信号である。基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差がゼロとなる状態とは、基準クロック信号CLKと駆動制御信号DRV1が互いに同じ周波数を持ちつつ、基準クロック信号CLKのアップエッジタイミングと駆動制御信号DRV1のアップエッジタイミングとが一致している状態を指し、当該状態が維持されることをPLLのロックと表現する。過渡状態を除けば、原理上、信号COMP1及びCOMP2は互いに同じ周波数を有し且つ信号COMP1及びCOMP2の位相差は180°に保たれるため、PLLがロックしている状態では、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数(即ち出力段回路180Aのスイッチング周波数fSW1及び出力段回路180Bのスイッチング周波数fSW2)は、基準クロック信号CLKの周波数である基準周波数fCLKと一致する。
An explanation will be added regarding the generation operation of the drive control signals DRV1 and DRV2. First, for convenience of explanation, we will ignore the existence of the current balance signals S CB1 and S CB2 , and will explain the method of generating the drive control signal DRV1 based on the signals COMP1 and SPLL and the method of generating the drive control signal DRV2 based on the signals COMP2 and S PLL . Explain how to generate it. The
図4を参照し、基準クロック信号CLKに対し駆動制御信号DRV1の位相が進んでいる状態は、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数が基準周波数fCLKよりも高い状態に相当する。このとき、PLL回路160は、オン時間TON1及びTON2を同じ時間量だけ増大させるための信号SPLLをTON設定部150A及び150Bに出力し、TON設定部150A及び150Bは信号SPLLに従ってオン時間TON1及びTON2を同じ時間量だけ増大させる。この増大の量は、基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差の大きさに比例していると良い。尚、オン時間TON1及びTON2の初期値は共通の基準オン時間TONREFであるとする。オン時間TON1及びTON2が増大すると、誤差電圧VERRが一定であるとの仮定の下、平均電圧VFBIN_AVEの増大を通じて“VFBIN_AVE>VERR”から“VFBIN_AVE<VERR”への切り替わりの発生間隔が長くなるので、信号COMPの周波数が低下する。つまり、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数が基準周波数fCLKに向けて低下する。
Referring to FIG. 4, a state in which the drive control signal DRV1 is ahead in phase with respect to the reference clock signal CLK corresponds to a state in which the frequencies of the drive control signals DRV1 and DRV2 are higher than the reference frequency f CLK . At this time, the
図5を参照し、基準クロック信号CLKに対し駆動制御信号DRV1の位相が遅れている状態は、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数が基準周波数fCLKよりも低い状態に相当する。このとき、PLL回路160は、オン時間TON1及びTON2を同じ時間量だけ減少させるための信号SPLLをTON設定部150A及び150Bに出力し、TON設定部150A及び150Bは信号SPLLに従ってオン時間TON1及びTON2を同じ時間量だけ減少させる。この減少の量は、基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差の大きさに比例していると良い。尚、オン時間TON1及びTON2の初期値は共通の基準オン時間TONREFであるとする。オン時間TON1及びTON2が減少すると、誤差電圧VERRが一定であるとの仮定の下、平均電圧VFBIN_AVEの低下を通じて“VFBIN_AVE>VERR”から“VFBIN_AVE<VERR”への切り替わりの発生間隔が短くなるので、信号COMPの周波数が上昇する。つまり、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数が基準周波数fCLKに向けて上昇する。
Referring to FIG. 5, a state where the drive control signal DRV1 is delayed in phase with respect to the reference clock signal CLK corresponds to a state where the frequencies of the drive control signals DRV1 and DRV2 are lower than the reference frequency f CLK . At this time, the
PLL回路160による上記のような制御が行われることで、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数(即ちスイッチング周波数fSW1及びfSW2)が基準周波数fCLKに一致又は近づけられ、定常状態ではPLLのロックが達成される。即ち、駆動制御信号DRV1及びDRV2の周波数(即ちスイッチング周波数fSW1及びfSW2)が基準周波数fCLKに一致する。
By performing the above-described control by the
次に、電流バランス信号生成部210の機能について説明する。フィードバック脈流電圧VFBIN1及びVFBIN2はコイル電流IL1及びIL2に類する波形を有するもののコイル電流IL1及びIL2そのものを表す物理量ではなく、別途、コイル電流IL1及びIL2間で電流バランスをとる必要がある。即ち、仮に電流バランス信号生成部210が無かったとすれば、図6に示すような、コイル電流IL1及びIL2が不均一となる状態で安定することがある。図6に示す状態では“IL1>IL2”の状況で安定している。この場合には、オン時間TON1を減少補正しつつオン時間TON2を増大補正すれば、“IL1=IL2”の達成が見込め、“IL1=IL2”の達成により図6に示す状態から図2に示す状態に遷移する。尚、ここにおける“IL1>IL2”とは、詳細には、コイル電流IL1の極大値、平均値又は極小値が、夫々、コイル電流IL2の極大値、平均値又は極小値よりも大きくなる状況を意味し、“IL1=IL2”とは、詳細には、コイル電流IL1の極大値、平均値又は極小値が、夫々、コイル電流IL2の極大値、平均値又は極小値と一致している状況を意味する。
Next, the function of the current balance
“IL1=IL2”の達成のためにDC/DCコンバータ10では電流バランス信号生成部210が設けられている。
In order to achieve “I L1 =I L2 ”, the DC/
電流バランス信号生成部210には、電流センサ190Aによる第1対象電流の検出結果と電流センサ190Bによる第2対象電流の検出結果とが入力される。今、トランジスタ181A及び182Aが同時にオンとなるような短絡異常は無いものとする。そうすると、電流センサ190Aにより検出される第1対象電流はスイッチ端子252Aを通じて流れるコイル電流IL1であり、電流センサ190Bにより検出される第2対象電流はスイッチ端子252Bを通じて流れるコイル電流IL2である。
The current balance
電流バランス信号生成部210は、電流センサ190Aから提供される第1対象電流(コイル電流IL1)の検出結果と、電流センサ190Bから提供される第2対象電流(コイル電流IL2)の検出結果とに基づき、第1対象電流の大きさと第2対象電流の大きさとを均等するための電流バランス信号SCB1及びSCB2を生成する。TON設定部150A及び150Bは、第1対象電流が第2対象電流よりも大きいとき、電流バランス信号SCB1及びSCB2に基づいてオン時間TON1を減少補正する一方でオン時間TON2を増大補正し、第1対象電流が第2対象電流よりも小さいとき、電流バランス信号SCB1及びSCB2に基づいてオン時間TON1を増大補正する一方でオン時間TON2を減少補正する。第1対象電流が第2対象電流よりも大きいとは、詳細には第1対象電流の評価値が第2対象電流の評価値よりも大きいことを意味し、第1対象電流が第2対象電流よりも小さいとは、詳細には第1対象電流の評価値が第2対象電流の評価値よりも小さいことを意味する。第1及び第2対象電流の評価値は、第1及び第2対象電流の平均値でも良いし、第1及び第2対象電流の極大値でも良いし、第1及び第2対象電流の極小値でも良い。
The current balance
第1及び第2対象電流の評価値として第1及び第2対象電流の平均値を用いる場合の動作例を説明する。
電流センサ190Aは、出力段回路180Aが出力ロー状態である区間(以下、第1ロー区間と称する)において、同期整流トランジスタ182Aのドレイン-ソース間に流れる電流を第1対象電流として検出し、その検出結果を示す第1コイル電流情報を生成部210に出力する。第1コイル電流情報により出力段回路180Aの各スイッチング周期における第1ロー区間中の第1対象電流の平均値が特定される。第1対象電流の平均値は、第1ロー区間中のコイル電流IL1の平均値IL1_AVEを表している(図7参照)。平均値IL1_AVEは出力段回路180Aのスイッチング周期ごとに導出される。
電流センサ190Bは、出力段回路180Bが出力ロー状態である区間(以下、第2ロー区間と称する)において、同期整流トランジスタ182Bのドレイン-ソース間に流れる電流を第2対象電流として検出し、その検出結果を示す第2コイル電流情報を生成部210に出力する。第2コイル電流情報により出力段回路180Bの各スイッチング周期における第2ロー区間中の第2対象電流の平均値が特定される。第2対象電流の平均値は、第2ロー区間中のコイル電流IL2の平均値IL2_AVEを表している(図7参照)。平均値IL2_AVEは出力段回路180Bのスイッチング周期ごとに導出される。
An example of operation will be described in which the average value of the first and second target currents is used as the evaluation value of the first and second target currents.
The
The
電流バランス信号生成部210は、平均値IL1_AVEを第1評価値とすると共に平均値IL2_AVEを第2評価値とし、第1及び第2評価値を比較する。第1及び第2評価値は順次更新されるため、生成部210は最新の第1及び第2評価値の組を比較する動作を繰り返し実行する。
The current balance
電流バランス信号生成部210は、第1評価値が第2評価値よりも大きい第1アンバランス状況において、オン時間TON1の減少補正を指示する電流バランス信号SCB1を生成する一方でオン時間TON2の増大補正を指示する電流バランス信号SCB2を生成する。第1アンバランス状況において、オン時間TON1の減少補正の量及びオン時間TON2の増大補正の量は、第1及び第2評価値間の差の大きさに応じたものとされても良いし、所定の固定量であっても良い。
第1アンバランス状況において、TON設定部150Aは、信号SPLLに基づき決定したオン時間TON1を電流バランス信号SCB1に従って減少補正し、減少補正後のオン時間TON1を指定する駆動制御信号DRV1を出力する(従って駆動制御信号DRV1のハイレベル区間の長さは減少補正後のオン時間TON1とされる)。
第1アンバランス状況において、TON設定部150Bは、信号SPLLに基づき決定したオン時間TON2を電流バランス信号SCB2に従って増大補正し、増大補正後のオン時間TON2を指定する駆動制御信号DRV2を出力する(従って駆動制御信号DRV2のハイレベル区間の長さは増大補正後のオン時間TON2とされる)。
In a first unbalance situation where the first evaluation value is larger than the second evaluation value, the current balance
In the first unbalanced situation, the
In the first unbalanced situation, the
電流バランス信号生成部210は、第1評価値が第2評価値よりも小さい第2アンバランス状況において、オン時間TON1の増大補正を指示する電流バランス信号SCB1を生成する一方でオン時間TON2の減少補正を指示する電流バランス信号SCB2を生成する。第2アンバランス状況において、オン時間TON1の増大補正の量及びオン時間TON2の減少補正の量は、第1及び第2評価値間の差の大きさに応じたものとされても良いし、所定の固定量であっても良い。
第2アンバランス状況において、TON設定部150Aは、信号SPLLに基づき決定したオン時間TON1を電流バランス信号SCB1に従って増大補正し、増大補正後のオン時間TON1を指定する駆動制御信号DRV1を出力する(従って駆動制御信号DRV1のハイレベル区間の長さは増大補正後のオン時間TON1とされる)。
第2アンバランス状況において、TON設定部150Bは、信号SPLLに基づき決定したオン時間TON2を電流バランス信号SCB2に従って減少補正し、減少補正後のオン時間TON2を指定する駆動制御信号DRV2を出力する(従って駆動制御信号DRV2のハイレベル区間の長さは減少補正後のオン時間TON2とされる)。
In a second unbalance situation where the first evaluation value is smaller than the second evaluation value, the current balance
In the second unbalanced situation, the
In the second unbalanced situation, the
上述のように、コイル電流IL1に対応する第1評価値がコイル電流IL2に対応する第2評価値よりも大きいことが検知された場合には、その後において、オン時間TON1が減少補正され且つオン時間TON2が増大補正されることで、第1及び第2評価値間の差が低減される。他方、第1評価値が第2評価値よりも小さいことが検知された場合には、その後において、オン時間TON1が増大補正され且つオン時間TON2が減少補正されることで、第1及び第2評価値間の差が低減される。このような補正(調整)が繰り返し行われることで第1及び第2評価値間の差はゼロとなる又はゼロ近辺に維持される。つまり、第1対象電流(コイル電流IL1)と第2対象電流(コイル電流IL2)との差が低減される。詳細には、コイル電流IL1の平均値とコイル電流IL2の平均値との差が低減され、結果として、コイル電流IL1の極大値又は極小値とコイル電流IL2の極大値又は極小値との差も低減される。 As described above, if it is detected that the first evaluation value corresponding to the coil current I L1 is larger than the second evaluation value corresponding to the coil current I L2 , then the on-time T ON1 is corrected to decrease. The difference between the first and second evaluation values is reduced by increasing the on-time T ON2 . On the other hand, if it is detected that the first evaluation value is smaller than the second evaluation value, then the on-time T ON1 is corrected to increase and the on-time T ON2 is corrected to decrease, so that the first and The difference between the second evaluation values is reduced. By repeating such correction (adjustment), the difference between the first and second evaluation values becomes zero or is maintained near zero. That is, the difference between the first target current (coil current IL1 ) and the second target current (coil current IL2 ) is reduced. Specifically, the difference between the average value of the coil current I L1 and the average value of the coil current I L2 is reduced, and as a result, the maximum value or minimum value of the coil current I L1 and the maximum value or minimum value of the coil current I L2 are reduced. The difference between the two is also reduced.
尚、電流センサ190Aは、出力段回路180Aが出力ハイ状態である区間(以下、第1ハイ区間と称する)において、出力トランジスタ181Aのドレイン-ソース間に流れる電流を第1対象電流として検出し、その検出結果を示す第1コイル電流情報を生成部210に出力しても良い。そして、電流センサ190Bは、出力段回路180Bが出力ハイ状態である区間(以下、第2ハイ区間と称する)において、出力トランジスタ181Bのドレイン-ソース間に流れる電流を第2対象電流として検出し、その検出結果を示す第2コイル電流情報を生成部210に出力しても良い。この場合、第1コイル電流情報により出力段回路180Aの各スイッチング周期における第1ハイ区間中の第1対象電流の平均値が特定され、第2コイル電流情報により出力段回路180Bの各スイッチング周期における第2ハイ区間中の第2対象電流の平均値が特定される。そして、生成部210では、第1ハイ区間中の第1対象電流の平均値を第1評価値とし、且つ、第2ハイ区間中の第2対象電流の平均値を第2評価値とすることができる。
Note that the
上述したように、各対象電流の平均値ではなく、各対象電流の極大値又は極小値を評価値として用いても良い。即ち、電流バランス信号生成部210において、各スイッチング周期における第1及び第2対象電流の極大値を第1及び第2評価値として用いて、それらを比較するようにしても良いし、或いは、各スイッチング周期における第1及び第2対象電流の極小値を第1及び第2評価値として用いて、それらを比較するようにしても良い。
As described above, instead of the average value of each target current, the local maximum value or minimum value of each target current may be used as the evaluation value. That is, the current balance
説明の便宜上、PLL回路160の機能と電流バランス信号生成部210の機能を分けて説明したが、DC/DCコンバータ10では、実際には、誤差電圧生成部110を含む上述の基本帰還ループに加えて、PLL回路160並びにTON設定部150A及び150Bを含むPLL帰還ループと、電流バランス信号生成部210並びにTON設定部150A及び150Bを含む電流バランス帰還ループと、が形成され、それらの帰還ループが並列に機能することにより、出力電圧VOUTを目標電圧VTGに一致又は近似させるための帰還動作と、スイッチング周波数fSW1及びfSW2を基準周波数fCLKに一致又は近似させるための帰還動作と、コイル電流IL1及びIL2を均等にするための帰還動作と、が同時に実行される。
For convenience of explanation, the function of the
或る安定状態を起点に負荷LDの大きさ(即ち負荷電流IOUT)が急減に変動したときには、過渡的に出力電圧VOUTが目標電圧VTGから幾分乖離する。そして、過渡状態においてスイッチング周波数fSW1及びfSW2が基準周波数fCLKから幾分ずれると共にコイル電流IL1及びIL2間にばらつきが生じうるが、上記の各帰還動作の働きにより必要な時間の経過後、負荷変動後の条件に適した形で“VOUT=VTG”、“fSW1=fSW2=fCLK”及び“IL1=IL2”が再び実現される。 When the magnitude of the load LD (that is, the load current I OUT ) rapidly decreases starting from a certain stable state, the output voltage V OUT transiently deviates somewhat from the target voltage V TG . In a transient state, the switching frequencies f SW1 and f SW2 may deviate somewhat from the reference frequency f CLK , and variations may occur between the coil currents I L1 and I L2 , but due to the functions of each feedback operation described above, the necessary time elapses. After that, “V OUT =V TG ”, “f SW1 = f SW2 = f CLK ” and “I L1 = I L2 ” are realized again in a form suitable for the conditions after the load change.
DC/DCコンバータ10の起動時において出力電圧VOUTが0Vから目標電圧VTGへと上昇する過程ではPLLがロックしていないが、その過程においても信号COMP中のパルスを交互に信号COMP1及びCOMP2に分配する上記方法により、第1及び第2相のスイッチング位相差が確保される。そして、出力電圧VOUTの上昇過程において、スイッチング周波数fSW1及びfSW2が基準周波数fCLKに近づいていくと共にコイル電流IL1及びIL2の均等化が図られてゆく。
Although the PLL is not locked during the process in which the output voltage VOUT rises from 0V to the target voltage VTG when the DC/
DC/DCコンバータ10は複数の動作モードの何れかにて動作できて良く、複数の動作モードにはPFMモード及びPWMモードが含まれていて良い。PWMモードでは本実施形態にて上述した動作が実行され、パルス幅変調を用いて出力段回路180A及び180Bがスイッチング駆動される。これに対し、PFMモードでは、パルス周波数変調を用いて出力段回路180A及び180Bがスイッチング駆動される。PFMモードでの動作の詳細な説明は割愛するが、DC/DCコンバータ10の動作モードがPFMモードからPWMモードに切り替えられた直後においても、信号COMP中のパルスを交互に信号COMP1及びCOMP2に分配する上記方法により第1及び第2相のスイッチング位相差が確保される。
The DC/
本実施形態に係るDC/DCコンバータ10によれば、出力段回路180A及び180Bのスイッチング駆動に180°の位相差を確保しつつ、コンスタントオンタイム制御方式に類似するオン時間制御を行うことが可能となり、高い負荷応答性能を実現できる。また、コイル電流IL1及びIL2を均等にする制御を行うことで電源効率を最適化(最大化)できる。
According to the DC/
尚、ここでは、設定、調整又は補正の対象としてオン時間TON1及びTON2に注目したが、オン時間TON1の設定及び増減はオンデューティDON1の設定及び増減でもあるし、オン時間TON2の設定及び増減はオンデューティDON2の設定及び増減でもある。故に、TON設定部150AはオンデューティDON1の設定及び増減を担うと考えても良いし、TON設定部150BはオンデューティDON2の設定及び増減を担うと考えても良い(後述の他の任意の実施形態においても同様)。オンデューティDON1は、出力段回路180Aのスイッチング駆動における各周期においてオン時間TON1が占める割合(スイッチング周波数fSW1の逆数分の時間の内、オン時間TON1が占める割合)を指し、オンデューティDON2は、出力段回路180Bのスイッチング駆動における各周期においてオン時間TON2が占める割合(スイッチング周波数fSW2の逆数分の時間の内、オン時間TON2が占める割合)を指す。
Note that here, we focused on the on-times T ON1 and T ON2 as objects of setting, adjustment, or correction, but the setting and increase/decrease of the on-time T ON1 are also the settings and increases/decrements of the on-duty D ON1 , and the on-time T ON2 The setting and increase/decrease of is also the setting and increase/decrease of on-duty D ON2 . Therefore, the
<<第2実施形態>>
本開示の第2実施形態を説明する。第2実施形態及び後述の第3~第6実施形態は第1実施形態を基礎とする実施形態であり、第2~第6実施形態において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、第1実施形態の記載が第2~第6実施形態にも適用されて良い。第2実施形態の記載を解釈するにあたり、第1及び第2実施形態間で矛盾する事項については第2実施形態の記載が優先されて良い(後述の第3~第6実施形態についても同様)。矛盾の無い限り、第1~第6実施形態の内、任意の複数の実施形態を組み合わせても良い。
<<Second embodiment>>
A second embodiment of the present disclosure will be described. The second embodiment and the third to sixth embodiments described later are embodiments based on the first embodiment, and unless there is a contradiction, matters not specifically stated in the second to sixth embodiments are based on the first embodiment. The description of the embodiment may also be applied to the second to sixth embodiments. When interpreting the description of the second embodiment, the description of the second embodiment may take precedence regarding matters that are inconsistent between the first and second embodiments (the same applies to the third to sixth embodiments described later). . Any plurality of embodiments among the first to sixth embodiments may be combined as long as there is no contradiction.
図1のDC/DCコンバータ10の構成の一部を流用して、複数チャネルを有する降圧型シングルフェーズDC/DCコンバータを形成することができる。図8は第2実施形態に係るDC/DCコンバータ20の全体構成図である。DC/DCコンバータ20は、2チャネルを有する降圧型シングルフェーズDC/DCコンバータである。2チャネルは第1チャネルと第2チャネルとから成る。DC/DCコンバータ20は、第1チャネルにおいて入力電圧VIN1を降圧することで出力電圧VOUT1を生成し、第2チャネルにおいて入力電圧VIN2を降圧することで出力電圧VOUT2を生成する。
A part of the configuration of the DC/
入力電圧VIN1及びVIN2は正の直流電圧であり、例えば、4.0V~18.0Vの範囲内の電圧値を有する。入力電圧VIN1及びVIN2の一致及び不一致は問わない。出力電圧VOUT1、VOUT2は、夫々、入力電圧VIN1、VIN2より低く、DC/DCコンバータ20の過渡状態を除けば、安定化された正の直流電圧値を有する。出力電圧VOUT1、VOUT2の目標値(後述の目標電圧VTG1、VTG2の値)は、例えば、0.6V~3.4Vの範囲内の電圧値を有する。出力電圧VOUT1及びVOUT2の目標値の一致及び不一致は問わない。
The input voltages V IN1 and V IN2 are positive DC voltages, and have voltage values within the range of 4.0V to 18.0V, for example. It does not matter whether the input voltages V IN1 and V IN2 match or do not match. The output voltages V OUT1 and V OUT2 are lower than the input voltages V IN1 and V IN2, respectively, and have stabilized positive DC voltage values except for the transient state of the DC/
DC/DCコンバータ20は第1チャネルのDC/DCコンバータと第2チャネルのDC/DCコンバータを備える。
The DC/
第1チャネルのDC/DCコンバータについて説明する。第1チャネルのDC/DCコンバータは、誤差電圧生成部110Aと、脈波生成部120Aと、PWMコンパレータ130Aと、TON設定部150Aと、PLL回路160Aと、出力段駆動部170Aと、出力段回路180Aと、電流センサ190Aと、保護回路200Aと、コイルL1と、出力コンデンサCOUT1と、入力端子251Aと、スイッチ端子252Aと、グランド端子253Aと、出力端子254Aと、を備える。
The first channel DC/DC converter will be explained. The first channel DC/DC converter includes an error
出力段回路180Aの構成は第1実施形態で述べた通りである。但し、DC/DCコンバータ20において、入力端子251Aは入力電圧VIN1の印可端(入力電圧VIN1が加わる端子)に接続されて入力電圧VIN1を受け、スイッチ端子252AはコイルL1を介して出力端子254Aに接続され、出力端子254A及びグランド間の出力コンデンサCOUT1が設けられることで出力端子254Aに出力電圧VOUT1が加わる。
The configuration of the
出力段回路180Aにおいてトランジスタ181A及び182Aが交互にオン及びオフされることで、入力電圧VIN1がスイッチングされ、スイッチ端子252Aにて矩形波状のスイッチ電圧VLX1が生じる。コイルL1出力コンデンサCOUT1により整流平滑回路が構成され、矩形波状のスイッチ電圧VLX1が当該整流平滑回路により整流及び平滑化されることで出力電圧VOUT1が生成される。
By alternately turning on and off
図8の誤差電圧生成部110Aは図1の誤差電圧生成部110と同じ構成を持つ。図1の誤差電圧生成部110におけるエラーアンプ111、抵抗112、113、114、ノード115は、図8の誤差電圧生成部110Aでは、夫々、エラーアンプ111A、抵抗112A、113A、114A、ノード115Aと称される。ノード115Aは帰還入力端子に相当し、ノード115Aにはフィードバック電圧VFB1が加わる。フィードバック電圧VFB1は出力電圧VOUT1に比例する電圧である。ここでは、出力電圧VOUT1そのものがフィードバック電圧VFB1であるとするが、出力電圧VOUT1の分圧等がフィードバック電圧VFB1であっても構わない。ノード115Aは抵抗112Aの一端に接続され、抵抗112Aの他端はエラーアンプ111Aの反転入力端子に接続されると共に抵抗113Aを介してグランドに接続される。エラーアンプ111Aの非反転入力端子には所定の基準電圧VREF1が印可される。基準電圧VREF1は所定の正の直流電圧値を有する。エラーアンプ111Aの出力端子は抵抗114Aを介してエラーアンプ111Aの反転入力端子に接続される。このため、エラーアンプ111A及び抵抗112A~114Aにより反転増幅器が構成される。フィードバック電圧VFB1に比例する電圧(エラーアンプ111Aの反転入力端子に加わる電圧)と基準電圧VREF1との差分に応じた誤差電圧VERR1がエラーアンプ111Aの出力端子から出力される。
Error
図8の脈波生成部120Aは図1の脈波生成部120Aと同じものであり、ノード125Aにフィードバック脈流電圧VFBIN1が生じる。但し、図8の脈波生成部120Aにおいて、ノード124Aに加わるフィードバック電圧は出力電圧VOUT1に基づくフィードバック電圧VFB1である。即ち、脈波生成部120Aは、フィードバック電圧VFB1を基準にフィードバック脈流電圧VFBIN1を生成する。フィードバック脈流電圧VFBIN1の特性は第1実施形態で述べた通りであって、コイル電流IL1の波形に類似した波形を持つ。尚、図8の脈波生成部120Aに対し図3(a)に示した構成を採用する場合、バッファ回路126A_1の正側の電源電圧は“VIN1/4”とされる。
Pulse
PWMコンパレータ130Aは、誤差電圧VERR1とフィードバック脈流電圧VFBIN1を比較することで信号COMP1を生成し且つ出力する。具体的には、PWMコンパレータ130Aは、“VFBIN1>VERR1”が成立する区間において信号COMP1をローレベルに維持し、“VFBIN1>VERR1”から“VFBIN1<VERR1”へと切り替わると、その切り替わりタイミングを起点に所定の微小時間だけ信号COMP1をハイレベルとしてからローレベルに戻すよう構成されている。
The
TON設定部150Aは、PWMコンパレータ130Aから供給される信号COMP1に基づき、出力段回路180Aの状態を指定する駆動制御信号DRV1を生成する。図8のDC/DCコンバータ20では、PLL回路160(図1参照)としてPLL回路160Aが用いられ、且つ、電流バランス信号SCB1(図1参照)に依らず駆動制御信号DRV1が生成される(そもそも電流バランス信号SCB1は存在しない)。これらの点を除き、TON設定部150Aの動作は第1実施形態で述べた通りである。
The
図8のPLL回路160Aは図1のPLL回路160と同じものであり、基準クロック信号CLK及び駆動制御信号DRV1間の位相差(即ち基準クロック信号CLKの位相と駆動制御信号DRV1の位相との差)に応じた信号SPLL1をTON設定部150Aに出力し、TON設定部150Aと協働して駆動制御信号DRV1の周波数を基準周波数fCLK(基準クロック信号CLKの周波数)に一致又は近似させる。出力段駆動部170A、電流センサ190A及び保護回路200Aの構成及び動作は第1実施形態で述べた通りである。
The
第2チャネルのDC/DCコンバータについて説明する。第2チャネルのDC/DCコンバータは、誤差電圧生成部110Bと、脈波生成部120Bと、PWMコンパレータ130Bと、TON設定部150Bと、PLL回路160Bと、出力段駆動部170Bと、出力段回路180Bと、電流センサ190Bと、保護回路200Bと、コイルL2と、出力コンデンサCOUT2と、入力端子251Bと、スイッチ端子252Bと、グランド端子253Bと、出力端子254Bと、を備える。
The second channel DC/DC converter will be explained. The second channel DC/DC converter includes an error
図8のDC/DCコンバータ20において、第2チャネルのDC/DCコンバータの構成及び動作は第1チャネルのDC/DCコンバータの構成及び動作と同じであり、第1チャネルのDC/DCコンバータに対して上述した事項が第2チャネルのDC/DCコンバータにも適用される。但し、この適用の際、第1チャネルのDC/DCコンバータとの関係で記述される符号又は記号110A~115A、120A~126A、126A_1~126A_4、130A、150A、160A、170A、180A~182A、190A、200A、251A~254A、L1、COUT1、VFB1、VREF1、VERR1、VLX1、VFBIN1、COMP1、DRV1、SPLL1、VIN1、VOUT1、IL1は、第2チャネルのDC/DCコンバータにおいて、夫々、符号又は記号110B~115B、120B~126B、126B_1~126B_4、130B、150B、160B、170B、180B~182B、190B、200B、251B~254B、L2、COUT2、VFB2、VREF2、VERR2、VLX2、VFBIN2、COMP2、DRV2、SPLL2、VIN2、VOUT2、IL2に読み替えられる。また、PLL回路160Bには基準クロック信号としてクロック信号CLKBが入力されるものとする。クロック信号CLKBは基準クロック信号CLKの反転信号である。
In the DC/
DC/DCコンバータ20に含まれる第1チャネルのDC/DCコンバータでは、誤差電圧生成部110Aから出力電圧VOUT1を生成する部位にまで至る帰還ループにより、エラーアンプ111Aの非反転入力端子及び反転入力端子間の電位差をゼロに維持するための帰還制御が行われ、誤差電圧VERR1の調整を通じ、出力電圧VOUT1が所定の目標電圧VTG1にて安定化される(即ち目標電圧VTG1に一致又は近づく)。目標電圧VTG1は、抵抗112A及び113Aの抵抗値の比と基準電圧VREF1とで定まる。更に、PLL回路160Aの機能により、駆動制御信号DRV1の周波数(従って出力段回路180Aのスイッチング周波数fSW1)が基準周波数fCLKに一致又は近似せしめられる。
In the first channel DC/DC converter included in the DC/
これとは独立して、DC/DCコンバータ20に含まれる第2チャネルのDC/DCコンバータでは、誤差電圧生成部110Bから出力電圧VOUT2を生成する部位にまで至る帰還ループにより、エラーアンプ111Bの非反転入力端子及び反転入力端子間の電位差をゼロに維持するための帰還制御が行われ、誤差電圧VERR2の調整を通じ、出力電圧VOUT2が所定の目標電圧VTG2にて安定化される(即ち目標電圧VTG2に一致又は近づく)。目標電圧VTG2は、抵抗112B及び113Bの抵抗値の比と基準電圧VREF2とで定まる。更に、PLL回路160Bの機能により、駆動制御信号DRV2の周波数(従って出力段回路180Bのスイッチング周波数fSW2)が基準周波数fCLKに一致又は近似せしめられる。
Independently from this, in the second channel DC/DC converter included in the DC/
尚、図8からは明らかではないが、出力端子254A及び254Bが互いに接続されることがあっても良い。
Although it is not clear from FIG. 8, the
<<第3実施形態>>
本開示の第3実施形態を説明する。図1のDC/DCコンバータ10の一部又は全部及び図8のDC/DCコンバータ20の一部又は全部を半導体基板上の半導体集積回路により形成し、当該半導体集積回路を樹脂にて構成された筐体(パッケージ)内に封入することで半導体装置を構成するようにしても良い。図9は第3実施形態に係る半導体装置500の外観斜視図である。
<<Third Embodiment>>
A third embodiment of the present disclosure will be described. A part or all of the DC/
半導体装置500は、上記の半導体集積回路と半導体集積回路を収容する筐体とを主たる構成部品として備え、当該筐体に対し複数の外部端子が筐体から露出して設けられる。尚、図9では、半導体装置500がQFN(Dual Flatpack No-leaded)と称される筐体(パッケージ)を有するケースを例にとっているが、半導体装置500の筐体の種類は任意であり、また半導体装置500の外部端子の数も任意である。
The
図1のDC/DCコンバータ10を構成するブロックの内、符号110、120A、120B、130、140、150A、150B、160、170A、170B、180A、180B、190A、190B、200A、200B及び210にて参照される各ブロックが半導体装置500の半導体集積回路により形成されており、図1のDC/DCコンバータ10を実現する場合には、半導体装置500に対しコイルL1及びL2並びに出力コンデンサCOUTを外付け接続する。
Among the blocks constituting the DC/
図8のDC/DCコンバータ20を構成するブロックの内、符号110A、110B、120A、120B、130A、130B、150A、150B、160A、160B、170A、170B、180A、180B、190A、190B、200A及び200Bにて参照される各ブロックが半導体装置500の半導体集積回路により形成されており、図8のDC/DCコンバータ20を実現する場合には、半導体装置500に対しコイルL1及びL2並びに出力コンデンサCOUT1及びCOUT2を外付け接続する。
Among the blocks constituting the DC/
即ち、半導体装置500の半導体集積回路には、DC/DCコンバータ10及び20の何れをも構成可能な回路が設けられおり、同一の半導体コア(半導体集積回路が形成された半導体チップ)にてDC/DCコンバータ10及び20の何れをも構成可能である。図1のDC/DCコンバータ10を構成する場合には、図8の誤差電圧生成部110B、PWMコンパレータ130B及びPLL回路160Bを機能させずに(半導体集積回路には設けられてはいるものの、それらを有意に動作させずに)、図1に示す各回路の接続状態を実現してDC/DCコンバータ10を構成すれば良い。一方、図8のDC/DCコンバータ20を構成する場合には、図1の位相制御ロジック140及び電流バランス信号生成部210を機能させずに(半導体集積回路には設けられてはいるものの、それらを有意に動作させずに)、図8に示す各回路の接続状態を実現してDC/DCコンバータ20を構成すれば良い。
That is, the semiconductor integrated circuit of the
半導体装置500の製造段階において、DC/DCコンバータ10を構成するための専用の半導体装置500(以下、マルチフェーズ専用の半導体装置500と称する)と、DC/DCコンバータ20を構成するための専用の半導体装置500(以下、シングルフェーズ専用の半導体装置500と称する)と、を別々に構成(製造)して良い。
At the manufacturing stage of the
マルチフェーズ専用の半導体装置500に設けられた複数の外部端子は、図1の入力端子251A及び251B、スイッチ端子252A及び252B並びにグランド端子253A及び253Bを含み、更に帰還入力端子を含む。マルチフェーズ専用の半導体装置500において、帰還入力端子はフィードバック電圧VFBを受けるべき外部端子として図1のノード115、124A及び124Bに接続される。
The plurality of external terminals provided in the multi-phase
シングルフェーズ専用の半導体装置500に設けられた複数の外部端子は、図8の入力端子251A及び251B、スイッチ端子252A及び252B並びにグランド端子253A及び253Bを含み、更に帰還入力端子を含む。シングルフェーズ専用の半導体装置500では、帰還入力端子として第1及び第2帰還入力端子が設けられており、第1帰還入力端子はフィードバック電圧VFB1を受けるべき外部端子として図8のノード115A及び124Aに接続され、第2帰還入力端子はフィードバック電圧VFB2を受けるべき外部端子として図8のノード115B及び124Bに接続される。
The plurality of external terminals provided in the single-phase
マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500を構成(製造)して良い。マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500は、半導体装置500の外部から供給される設定信号に基づき(例えば、或る外部端子に加わる電圧のレベルに基づき)、マルチフェーズモード又はシングルフェーズモードで選択的に動作する。マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500内で、図示されないマルチプレクサやスイッチの切り替え機能を用い、図1の回路構成及び図8の回路構成の何れかが選択的に形成可能とされる。上記設定信号に基づき、マルチフェーズモードでは半導体装置500内で図1の回路構成を形成する一方、シングルフェーズモードでは半導体装置500内で図8の回路構成を形成すれば良い。
A multi-phase/single-phase switching
マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500は、図8の入力端子251A及び251B、スイッチ端子252A及び252B並びにグランド端子253A及び253Bを含み、更に第1及び第2帰還入力端子を含む。
マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500を用いて図1のDC/DCコンバータ10を構成する場合にあっては、当該半導体装置500をマルチフェーズモードで動作させると共に第1帰還入力端子にフィードバック電圧VFBを与える。マルチフェーズモードで動作する際、半導体装置500内で図1のノード115、124A及び124Bが第1帰還入力端子に接続される。
マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500を用いて図8のDC/DCコンバータ20を構成する場合にあっては、当該半導体装置500をシングルフェーズモードで動作させると共に第1及び第2帰還入力端子に夫々フィードバック電圧VFB1及びVFB2を与える。シングルフェーズモードで動作する際、半導体装置500内で図8のノード115A及び124Aが第1帰還入力端子に接続され且つ図8のノード115B及び124Bが第2帰還入力端子に接続される。
Multi-phase/single-phase switching
When the DC/
When the DC/
尚、マルチフェーズ/シングルフェーズ切替型の半導体装置500を用いたDC/DCコンバータ10又は20の起動後に、動作モードがマルチフェーズモード及びシングルフェーズモード間で切り替えられることがあり得ても良い。この場合において、仮に、シングルフェーズモードからマルチフェーズモードへの切り替えがあったとしても、第1実施形態で述べた方法により第1及び第2相のスイッチング位相差が確保される。
Note that after the DC/
また、半導体装置500において、抵抗112及び113又は抵抗112A及び113Aを半導体装置500の外部に設けて半導体装置500に対し外付け接続するようにしても良いし、出力段回路180A及び180Bを半導体装置500の外部に設けて半導体装置500に対し外付け接続するようにしても良い。
Further, in the
<<第4実施形態>>
本開示の第4実施形態を説明する。DC/DCコンバータ10を任意の電子機器に対する電源装置として利用することができる。特に例えば、負荷変動が大きいが故に高い負荷応答性能が要求され、また小型化も強く要求される用途にDC/DCコンバータ10は好適である。本実施形態で述べるDC/DCコンバータ10は、半導体装置500を用いて構成されたDC/DCコンバータ10であって良い。
<<Fourth embodiment>>
A fourth embodiment of the present disclosure will be described. The DC/
一例として、SSD(Solid State Drive)に対する電源装置としてDC/DCコンバータ10を利用することができる。SSDは半導体メモリを記録媒体として持つ記録装置であり、主たる構成部品として、半導体メモリと、半導体メモリへのデータの読み書きを制御するメモリコントローラと、を備える。メモリコントローラの消費電力は様々に変動する。即ち、メモリコントローラを電源装置の負荷(図1の負荷LDに相当)としたとき、負荷変動が大きい。このようなメモリコントローラに対する電源電圧としてDC/DCコンバータ10の出力電圧VOUTを用いることにより、高い負荷応答性能を提供できる。
As an example, the DC/
また、マルチフェーズ駆動方式の採用によりコイルL1及びL2(図1参照)として小型のコイルを用いることができるため、SSD全体のサイズを低減することが可能となる。SSDの小型化のため低背部品(高さの低い部品)の使用が要求されるが。低背のコイルはDCR(直流抵抗)が大きくなりがちである。低背のコイルを1つだけ用いてシングルフェーズ駆動を行い当該1つのコイルに大電流(メモリコントローラが必要とする大電流:例えば12A)を流すと、発熱が大きくなり電源効率が著しく低下する。DC/DCコンバータ10の如く、マルチフェーズ駆動方式を採用すれば、複数のコイルにて負荷電流が分担されるため、低背部品を問題なく使用することができる。
Further, by employing a multi-phase drive method, small coils can be used as the coils L1 and L2 (see FIG. 1), so it is possible to reduce the overall size of the SSD. The miniaturization of SSDs requires the use of low-profile components (components with low height). A low-profile coil tends to have a large DCR (direct current resistance). If a single-phase drive is performed using only one low-profile coil and a large current (a large current required by a memory controller: 12 A, for example) is passed through the single coil, heat generation increases and the power supply efficiency decreases significantly. If a multi-phase drive system is adopted as in the DC/
データセンタ等におけるサーバ装置の記録装置としてSSDを用いる場合、常時動作(24時間動作)の観点から電源効率が極めて重要となるが、上述の電流バランス技術の導入により高い電源効率を実現することができる。勿論、パーソナルコンピュータ等に搭載されるSSDに対してDC/DCコンバータ10を利用することもできる。
When using an SSD as a storage device for a server device in a data center, etc., power efficiency is extremely important from the perspective of constant operation (24-hour operation), but it is possible to achieve high power efficiency by introducing the above-mentioned current balance technology. can. Of course, the DC/
<<第5実施形態>>
本開示の第5実施形態を説明する。第1実施形態では、降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータの例として2相分の回路を備えたDC/DCコンバータ10を説明したが、n相分の回路を備えた降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータを構成しても良い。ここで、nは2以上の任意の整数である。
<<Fifth embodiment>>
A fifth embodiment of the present disclosure will be described. In the first embodiment, the DC/
n=3である場合を考え、3相分の回路を備えた降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータである降圧型3フェーズDC/DCコンバータを説明する。図10に降圧型3フェーズDC/DCコンバータの一部の構成を概略的に示す。降圧型3フェーズDC/DCコンバータは、図1に示されるDC/DCコンバータ10の各構成部品を備えると共に、第3相における脈波生成部、TON設定部、出力段駆動部、出力段回路、電流センサ、保護回路及びコイルとして、脈波生成部120C、TON設定部150C、出力段駆動部170C、出力段回路180C、電流センサ190C、保護回路200C及びコイルL3を備える(但し電流センサ190C及び保護回路200Cは図示せず)。第3相の各回路の構成及び動作は第1相又は第2相の各回路の構成及び動作と同じであるが、以下、第3相の各回路の構成及び動作の説明を交えつつ降圧型3フェーズDC/DCコンバータの構成及び動作を説明する。
Considering the case where n=3, a step-down three-phase DC/DC converter that is a step-down multi-phase DC/DC converter including circuits for three phases will be described. FIG. 10 schematically shows a partial configuration of a step-down three-phase DC/DC converter. The step-down three-phase DC/DC converter includes each component of the DC/
出力段回路180Cは出力段回路180Aと同じ構成を有し、出力トランジスタ181A及び同期整流トランジスタ182Aに対応する出力トランジスタ181C及び同期整流トランジスタ182Cを備える。出力段回路180Cは入力電圧VINをスイッチングすることで、出力トランジスタ181C及び同期整流トランジスタ182C間の接続ノードに相当するスイッチ端子252Cに矩形波状のスイッチ電圧VLX3を発生させる。スイッチ端子252Cと出力端子254との間にコイルL3が設けられる。尚、DC/DCコンバータ10と同様、降圧型3フェーズDC/DCコンバータにおいて、スイッチ電圧VLX1が生じるスイッチ端子252Aと出力端子254との間にコイルL1が設けられ、スイッチ電圧VLX2が生じるスイッチ端子252Bと出力端子254との間にコイルL2が設けられる。
The
脈波生成部120Cは脈波生成部120Aと同じ構成を有し、フィードバック電圧VFBを基準にスイッチ電圧VLX3と連動して変動するフィードバック脈流電圧VFBIN3を生成する。
The pulse
降圧型3フェーズDC/DCコンバータにおいて、PWMコンパレータ130は、フィードバック脈流電圧VFBIN1及びVFBIN2の平均電圧ではなく、フィードバック脈流電圧VFBIN1、VFBIN2及びVFBIN3の平均電圧を電圧VFBIN_AVEとして用いて第1実施形態で述べた動作により信号COMPを生成する。この信号COMPにおける各アップエッジタイミングは、出力トランジスタ181A、181B又は181Cのオンタイミングを表している。
In the step-down 3-phase DC/DC converter, the
降圧型3フェーズDC/DCコンバータにおいて、位相制御ロジック140は、図11に示す如く、信号COMPに含まれる複数のオンタイミングを示す複数のパルスを1つずつ順番に且つ循環的に信号COMP1、COMP2及びCOMP3に分配することで信号COMP1~COMP3を生成する。より明確に説明すれば以下のような動作が実行される。即ち、降圧型3フェーズDC/DCコンバータにおいて、位相制御ロジック140は信号COMP1~COMP3のレベルを原則としてローレベルに保ち、信号COMPに第(3×i+1)回目のアップエッジが生じたときには、信号COMPのアップエッジに同期して信号COMP1にもアップエッジを生じさせ、所定の微小時間だけ信号COMP1をハイレベルとしてからローレベルに戻し、信号COMPに第(3×i+2)回目のアップエッジが生じたときには、信号COMPのアップエッジに同期して信号COMP2にもアップエッジを生じさせ、所定の微小時間だけ信号COMP2をハイレベルとしてからローレベルに戻し、信号COMPに第(3×i)回目のアップエッジが生じたときには、信号COMPのアップエッジに同期して信号COMP3にもアップエッジを生じさせ、所定の微小時間だけ信号COMP3をハイレベルとしてからローレベルに戻す(ここでiは整数)。
In the step-down three-phase DC/DC converter, as shown in FIG. 11, the
TON設定部150A、150B及び150Cは、夫々、信号COMP1、COMP2及びCOMP3に基づき、駆動制御信号DRV1、DRV2及びDRV3を生成する。信号COMP3に基づく駆動制御信号DRV3の生成方法は、信号COMP1に基づく駆動制御信号DRV1の生成方法と同じである。
PLL回路160の動作は上述した通りである。但し、図10の降圧型3フェーズDC/DCコンバータにおいては、PLL回路160の出力信号SPLLがTON設定部150A及び150BだけでなくTON設定部150Cにも供給され、これによって駆動制御信号DRV1、DRV2及びDRV3の周波数(従って出力トランジスタ181A、181B及び181Cのスイッチング周波数)が基準周波数fCLKに一致又は近づけられる。
The operation of
出力段駆動部170A、170B及び170Cは、駆動制御信号DRV1、DRV2及びDRV3に基づいて、出力段回路180A、180B及び180Cのスイッチング駆動を行う。出力段駆動部170A及び170Bと同様、出力段駆動部170Cは、駆動制御信号DRV3のハイレベル区間にて出力段回路180Cを出力ハイ状態とし、駆動制御信号DRV3のローレベル区間にて出力段回路180Cを出力ロー状態とする。
Output
これにより、「360°/n=360°/3=120°」であるから、120°の位相差(又は120°に近い位相差)をつけて出力段回路180A~180Cがスイッチング駆動されることとなり、コンスタントオンタイム制御方式に類する制御方式を利用しつつ、理想的な3フェーズ駆動が実現される。
As a result, since "360°/n=360°/3=120°", the
電流バランス信号生成部210は、電流センサ190A、190B及び190Cにより検出される第1、第2及び第3対象電流に基づいて電流バランス信号SCB1、SCB2及びSCB3を生成する(図10において各電流センサは不図示)。第1、第2、第3対象電流は、夫々、スイッチ端子252A、252B、252Cを通じて流れる電流であり、コイル電流IL1、IL2、IL3に相当する。尚、コイル電流IL3はコイルL3に流れる電流を表す。TON設定部150A、150B及び150Cにて電流バランス信号SCB1、SCB2及びSCB3に基づき必要に応じオン時間TON1、TON2及びTON3(駆動制御信号DRV1、DRV2及びDRV3のハイレベル区間の長さ)が補正されることで、第1~3対象電流間の差が低減される。この低減の方法は第1実施形態で述べたものと同様である(第1実施形態では“n=2”の場合での低減の方法が示されている)。尚、オン時間TON3は、出力段回路180Cのスイッチングの各周期において出力段回路180Cが出力ハイ状態とされる時間(即ち出力トランジスタ181Cがオン状態とされる時間)を表す。
The current balance
<<第6実施形態>>
本開示の第6実施形態を説明する。第6実施形態では、第1~第5実施形態に適用可能な変形技術や応用技術を説明する。
<<Sixth embodiment>>
A sixth embodiment of the present disclosure will be described. In the sixth embodiment, modification techniques and application techniques applicable to the first to fifth embodiments will be described.
上述の各実施形態にて示されたDC/DCコンバータ(例えば図1のDC/DCコンバータ10)では、出力段回路に同期整流方式が採用されているが、ダイオード整流方式を採用するようにしても良い。即ち各同期整流トランジスタを整流ダイオードに置換しても良い。この置換が行われたとき、当然、各出力段回路にてオン/オフが制御されるトランジスタは出力トランジスタのみとなる。
In the DC/DC converter shown in each of the embodiments described above (for example, the DC/
位相差確保技術と電流バランス技術の双方が適用されたDC/DCコンバータを説明したが、本開示に係る降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータにおいて、位相差確保技術のみが実装されることがあっても良いし、電流バランス技術のみが実装されることがあっても良い。 Although a DC/DC converter to which both phase difference securing technology and current balance technology are applied has been described, in the step-down multi-phase DC/DC converter according to the present disclosure, only the phase difference securing technology may be implemented. Alternatively, only current balancing technology may be implemented.
任意の信号又は電圧に関して、上述の主旨を損なわない形で、それらのハイレベルとローレベルの関係は上述したものの逆とされ得る。 For any signal or voltage, the relationship between high and low levels may be reversed as described above, without detracting from the spirit of the above.
各実施形態に示されたFET(電界効果トランジスタ)についてチャネルの種類は例示であり、Nチャネル型のFETがPチャネル型のFETに変更されるように、或いは、Pチャネル型のFETがNチャネル型のFETに変更されるように、FETを含む回路の構成は変形され得る。例えば、図1の出力トランジスタ181A及び181BをPチャネル型のMOSFETに置換する変形が可能である。
The type of channel of the FET (field effect transistor) shown in each embodiment is merely an example, and an N-channel FET may be changed to a P-channel FET, or a P-channel FET may be changed to an N-channel FET. The configuration of the circuit containing the FET can be modified to change the type of FET. For example, a modification is possible in which the
不都合が生じない限り、上述の任意のトランジスタは、任意の種類のトランジスタであって良い。例えば、MOSFETとして上述された任意のトランジスタを、不都合が生じない限り、接合型FET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はバイポーラトランジスタに置き換えることも可能である。任意のトランジスタは第1電極、第2電極及び制御電極を有する。FETにおいては、第1及び第2電極の内の一方がドレインで他方がソースであり且つ制御電極がゲートである。IGBTにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がゲートである。IGBTに属さないバイポーラトランジスタにおいては、第1及び第2電極の内の一方がコレクタで他方がエミッタであり且つ制御電極がベースである。 Any of the transistors mentioned above may be any type of transistor as long as no inconvenience occurs. For example, any transistors mentioned above as MOSFETs can be replaced with junction FETs, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), or bipolar transistors, unless inconveniences arise. Any transistor has a first electrode, a second electrode, and a control electrode. In a FET, one of the first and second electrodes is the drain, the other is the source, and the control electrode is the gate. In an IGBT, one of the first and second electrodes is the collector, the other is the emitter, and the control electrode is the gate. In a bipolar transistor that does not belong to an IGBT, one of the first and second electrodes is the collector, the other is the emitter, and the control electrode is the base.
<<発明の考察>>
上述の各実施形態にて具体化された本開示の構成例について説明する。図12に本開示の一側面に係る半導体装置Wのブロック図を示す。
<<Consideration of the invention>>
Configuration examples of the present disclosure embodied in each of the above-described embodiments will be described. FIG. 12 shows a block diagram of a semiconductor device W according to one aspect of the present disclosure.
本開示の一側面に係る半導体装置W(例えば、図9の半導体装置500に対応)は、入力電圧を降圧して出力電圧を生成する降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータに用いられる半導体装置であって、前記入力電圧をスイッチングすることで第1~第nスイッチ端子に矩形波状の第1~第nスイッチ電圧(例えばVLX1、VLX2)を発生させる第1~第n出力段回路と(nは2以上の整数)、前記第1~第n出力段回路のスイッチング駆動に位相差を設けた状態で前記第1~第n出力段回路をスイッチング駆動するスイッチング制御部と、を備え、前記降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータでは、前記第1~第nスイッチ電圧を整流及び平滑化することにより前記出力電圧を生成し、当該半導体装置は、前記出力電圧に応じたフィードバック電圧(例えばVFB)を受ける帰還入力端子と、前記フィードバック電圧に比例する電圧と所定の基準電圧との差分に応じた誤差電圧(例えばVERR)を生成する誤差電圧生成部と、前記フィードバック電圧を基準に、前記第1~第nスイッチ電圧と連動して変動する第1~第nフィードバック脈流電圧(例えばVFBIN1、VFBIN2)を生成するフィードバック脈流電圧生成部と、前記誤差電圧と前記第1~第nフィードバック脈流電圧に基づき複数のオンタイミングから成るオンタイミング列を生成するオンタイミング列生成部と、を備え、前記スイッチング制御部は、前記オンタイミング列に基づき前記第1~第n出力段回路を順次スイッチング駆動することにより前記第1~第n出力段回路のスイッチング駆動に位相差を設ける。
A semiconductor device W according to one aspect of the present disclosure (for example, corresponding to the
以下、適宜、半導体装置Wの構成と図1の構成との対応関係を説明する(図10の構成との対応も同様に考えることができる)。半導体装置Wにおける第1~第n出力段回路は、図1では出力段回路180A及び180Bに対応する。半導体装置Wにおけるスイッチング制御部は、図1の符号140、150A、150B、160、170A、170B、190A、190B、200A、200B及び210によって参照される各部位を備えたブロックに対応する。半導体装置Wにおける帰還入力端子は、図1のノード115(124A、124B)に対応する。半導体装置Wにおける誤差電圧生成部は、図1の誤差電圧生成部110に対応する。半導体装置Wにおけるフィードバック脈流電圧生成部は、図1では脈波生成部120A及び120Bにより形成される。半導体装置Wにおけるオンタイミング列生成部は、図1のPWMコンパレータ130に対応する。PWMコンパレータ130の出力信号COMPによりオンタイミング列が規定されるので、PWMコンパレータ130にてオンタイミング列が生成されていると解することができる。
Hereinafter, the correspondence between the structure of the semiconductor device W and the structure of FIG. 1 will be explained as appropriate (the correspondence with the structure of FIG. 10 can be considered in the same way). The first to nth output stage circuits in the semiconductor device W correspond to the
上記の半導体装置Wにおいて、例えば、前記第1~第n出力段回路は、夫々、前記入力電圧の印加端と前記第1~第nスイッチ端子との間に設けられた第1~第n出力トランジスタ(例えば181A、181B)を有し、前記スイッチング制御部は、各出力トランジスタのオン時間(例えばTON1、TON2)を設定するオン時間設定部を有し、その設定内容と前記オンタイミング列に基づき前記第1~第n出力段回路をスイッチング駆動すると良い。 In the semiconductor device W described above, for example, the first to nth output stage circuits are provided at the first to nth output stages provided between the input voltage application terminal and the first to nth switch terminals, respectively. The switching control section includes transistors (for example, 181A, 181B), and the switching control section includes an on-time setting section that sets the on-time (for example, T ON1 , T ON2 ) of each output transistor, and the setting contents and the on-timing sequence It is preferable to drive the first to nth output stage circuits by switching based on the following.
半導体装置Wにおけるオン時間設定部は、図1ではTON設定部150A及び150Bにより形成される。図1のPLL回路160はオン時間設定部の構成要素に含まれると解しても良いし、オン時間設定部とは別にスイッチング制御部内に設けられていると解しても良い。
The on-time setting section in the semiconductor device W is formed by
そして例えば、上記の半導体装置Wにおいて、前記オンタイミング列生成部は、前記誤差電圧と前記第1~第nフィードバック脈流電圧の平均電圧(例えばVFBIN_AVE)との高低関係が第1関係から第2関係に変化するたびに前記オンタイミングに設定することで前記オンタイミング列を生成し、前記スイッチング制御部は、前記オンタイミング列に含まれ且つ連続するn個のオンタイミングにおいて前記第1~第n出力トランジスタを1つずつ順次ターンオンさせる動作を、繰り返し実行すると良い。 For example, in the above-described semiconductor device W, the on-timing sequence generating section is configured such that the level relationship between the error voltage and the average voltage (for example, V FBIN_AVE ) of the first to n-th feedback pulsating voltages is from a first relationship to a first relationship. 2, the on-timing sequence is generated by setting the on-timing every time the on-timing changes, and the switching control section generates the on-timing sequence by setting the on-timings every time the on-timing changes. It is preferable to repeatedly turn on the n-output transistors one by one.
図1の構成において、第1関係から第2関係への変化は“VFBIN_AVE>VERR”から“VFBIN_AVE<VERR”への変化に対応するが、“VFBIN_AVE<VERR”から“VFBIN_AVE>VERR”への変化が第1関係から第2関係への変化に対応するように、図1の回路構成及び動作を変形しても構わない。図1の構成では“n=2”であるため、オンタイミング列に含まれ且つ連続する2つのオンタイミングにおいて(即ち信号COMPにおける連続する2つのアップエッジタイミングにおいて)出力トランジスタ181A及び181Bが1つずつ順次ターンオンされ、その後、次の連続する2つのオンタイミングにおいて再度出力トランジスタ181A及び181Bが1つずつ順次ターンオンされる。以下の同様の動作が繰り返される。“n≧3”の場合も同様である。
In the configuration of FIG. 1, a change from the first relationship to the second relationship corresponds to a change from "V FBIN_AVE > VERR " to "V FBIN_AVE < VERR ", but from "V FBIN_AVE < VERR " to "V The circuit configuration and operation of FIG. 1 may be modified so that the change to ``FBIN_AVE > VERR '' corresponds to the change from the first relationship to the second relationship. In the configuration of FIG. 1, since "n=2", one
また例えば、上記の半導体装置Wにおいて、前記オン時間設定部は、各出力トランジスタのオン時間の設定内容と前記オンタイミング列とに基づき前記第1~第n出力トランジスタのオン区間及びオフ区間を指定する第1~第n駆動制御信号(例えばDRV1、DRV2)を生成し、前記スイッチング制御部は、前記第1~第n駆動制御信号に従って前記第1~第n出力トランジスタのオン/オフするスイッチング駆動部を有し、前記オン時間設定部は、PLL回路を用いて、前記第1~第n出力トランジスタのスイッチング周波数に相当する前記第1~第n駆動制御信号の周波数が所定の基準周波数に一致又は近づくよう各出力トランジスタのオン時間を設定しても良い。 For example, in the semiconductor device W described above, the on-time setting section specifies the on-period and off-period of the first to n-th output transistors based on the on-time settings of each output transistor and the on-timing sequence. The switching control unit generates first to nth drive control signals (for example, DRV1, DRV2) to turn on/off the first to nth output transistors according to the first to nth drive control signals. The on-time setting unit uses a PLL circuit to adjust the frequencies of the first to nth drive control signals corresponding to the switching frequencies of the first to nth output transistors to match a predetermined reference frequency. Alternatively, the on-time of each output transistor may be set to be close to each other.
半導体装置Wにおけるスイッチング駆動部は、図1では出力段駆動部170A及び170Bにより形成される。
In FIG. 1, the switching drive section in the semiconductor device W is formed by output
また例えば、上記の半導体装置Wにおいて、前記スイッチング制御部は、前記第1~第nスイッチ端子を通じて流れる第1~第n対象電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出結果に基づき前記第1~第n対象電流の大小関係に応じた電流バランス信号(例えばSCB1、SCB2)を生成する電流バランス信号生成部と、を有し、前記オン時間設定部は、前記電流バランス信号に基づいて各出力トランジスタのオン時間を調整することで前記第1~第n対象電流間の差を低減するようにしても良い。 Further, for example, in the above semiconductor device W, the switching control section includes a current detection section that detects the first to nth target currents flowing through the first to nth switch terminals, and a current detection section that detects the first to nth target currents flowing through the first to nth switch terminals, and a current balance signal generation unit that generates a current balance signal (for example, S CB1 , S CB2 ) according to the magnitude relationship of the first to nth target currents, and the on-time setting unit The difference between the first to nth target currents may be reduced by adjusting the on-time of each output transistor based on .
半導体装置Wにおける電流検出部は、図1では電流センサ190A及び190Bにより形成される。半導体装置Wにおける電流バランス信号生成部は、図1の電流バランス信号生成部210に対応する。
The current detection section in the semiconductor device W is formed by
本開示の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。以上の実施形態は、あくまでも、本開示の実施形態の例であって、本開示ないし各構成要件の用語の意義は、以上の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。上述の説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。 The embodiments of the present disclosure can be appropriately modified in various ways within the scope of the technical idea shown in the claims. The above embodiments are merely examples of the embodiments of the present disclosure, and the meanings of the terms of the present disclosure or each component are not limited to those described in the above embodiments. The specific numerical values shown in the above-mentioned explanatory text are merely examples, and it goes without saying that they can be changed to various numerical values.
10 DC/DCコンバータ
110 誤差電圧生成部
120 脈波生成部
130 PWMコンパレータ
140 位相制御ロジック
150A、150B TON設定部
160 PLL回路
170A、170B 出力段駆動部
180A、180B 出力段回路
181A、181B 出力トランジスタ
182A、182B 同期整流トランジスタ
190A、190B 電流センサ
200A、200B 保護回路
210 電流バランス信号生成部
L1、L2 コイル
COUT 出力コンデンサ
10 DC/
Claims (7)
前記入力電圧をスイッチングすることで複数のスイッチ端子に前記複数のスイッチ電圧を発生させる複数の出力段回路と、
前記出力電圧に応じたフィードバック電圧に比例する電圧と所定の基準電圧との差分に応じた誤差電圧を生成する誤差電圧生成部と、
前記フィードバック電圧を基準に、前記複数のスイッチ電圧と連動して変動する複数のフィードバック脈流電圧を生成するフィードバック脈流電圧生成部と、
前記誤差電圧と前記複数のフィードバック脈流電圧とに基づき複数のオンタイミングから成るオンタイミング列を生成するオンタイミング列生成部と、
前記オンタイミング列に基づき前記複数の出力段回路を順次スイッチング駆動することにより前記複数の出力段回路のスイッチング駆動に位相差を与えるスイッチング制御部と、を備える
半導体装置。 A semiconductor device used in a step-down multiphase DC/DC converter that steps down an input voltage and generates an output voltage based on a plurality of switch voltages, the semiconductor device comprising:
a plurality of output stage circuits that generate the plurality of switch voltages at the plurality of switch terminals by switching the input voltage;
an error voltage generation unit that generates an error voltage according to a difference between a voltage proportional to a feedback voltage according to the output voltage and a predetermined reference voltage;
a feedback pulsating voltage generation unit that generates a plurality of feedback pulsating voltages that vary in conjunction with the plurality of switch voltages based on the feedback voltage;
an on-timing sequence generation unit that generates an on-timing sequence consisting of a plurality of on-timings based on the error voltage and the plurality of feedback pulsating voltages;
A semiconductor device comprising: a switching control unit that sequentially switches and drives the plurality of output stage circuits based on the on-timing sequence to provide a phase difference to the switching drive of the plurality of output stage circuits.
前記スイッチング制御部は、各出力トランジスタのオン時間を設定するオン時間設定部を有し、その設定内容と前記オンタイミング列に基づき前記複数の出力段回路をスイッチング駆動する
請求項1に記載の半導体装置。 In each output stage circuit, an output transistor is provided between the input voltage application terminal and the corresponding switch terminal, so that the plurality of output stage circuits are provided with a plurality of output transistors,
2. The semiconductor according to claim 1, wherein the switching control section includes an on-time setting section that sets an on-time of each output transistor, and drives the plurality of output stage circuits in switching based on the setting contents and the on-timing sequence. Device.
前記スイッチング制御部は、前記オンタイミング列に含まれ且つ連続する複数のオンタイミングにおいて前記複数の出力トランジスタを1つずつ順次ターンオンさせる動作を、繰り返し実行する
請求項2に記載の半導体装置。 The on-timing sequence generation unit sets the on-timing every time a level relationship between the error voltage and an average voltage of the plurality of feedback pulsating voltages changes from a first relationship to a second relationship. generate a column,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the switching control section repeatedly performs an operation of sequentially turning on the plurality of output transistors one by one at a plurality of consecutive on-timings included in the on-timing sequence.
前記スイッチング制御部は、前記複数の駆動制御信号に従って前記複数の出力トランジスタのオン/オフするスイッチング駆動部を有し、
前記オン時間設定部は、PLL回路を用いて、前記複数の出力トランジスタのスイッチング周波数に相当する前記複数の駆動制御信号の周波数が所定の基準周波数に一致又は近づくよう各出力トランジスタのオン時間を設定する
請求項2又は3に記載の半導体装置。 The on-time setting section generates a plurality of drive control signals that specify on-periods and off-periods of the plurality of output transistors based on the setting contents of the on-time of each output transistor and the on-timing sequence,
The switching control section includes a switching drive section that turns on/off the plurality of output transistors according to the plurality of drive control signals,
The on-time setting section uses a PLL circuit to set the on-time of each output transistor so that the frequencies of the plurality of drive control signals corresponding to the switching frequencies of the plurality of output transistors match or approach a predetermined reference frequency. The semiconductor device according to claim 2 or 3.
前記オン時間設定部は、前記電流バランス信号に基づいて各出力トランジスタのオン時間を調整することで前記複数の対象電流間の差を低減する
請求項2~4の何れかに記載の半導体装置。 The switching control unit includes a current detection unit that detects a plurality of target currents flowing through the plurality of switch terminals, and generates a current balance signal according to a magnitude relationship of the plurality of target currents based on a detection result of the current detection unit. a current balance signal generation unit,
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the on-time setting section reduces the difference between the plurality of target currents by adjusting the on-time of each output transistor based on the current balance signal.
前記オン時間設定部は、
前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも大きいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を減少補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を増大補正し、
前記第1対象電流が前記第2対象電流よりも小さいとき、前記電流バランス信号に基づいて前記第1出力トランジスタのオン時間を増大補正する一方で前記第2出力トランジスタのオン時間を減少補正する
請求項5に記載の半導体装置。 The plurality of target currents include first and second target currents, and the plurality of output transistors include a first output transistor connected to a switch terminal through which the first target current flows and a switch terminal through which the second target current flows. a second output transistor connected;
The on-time setting section includes:
When the first target current is larger than the second target current, the on-time of the first output transistor is corrected to decrease while the on-time of the second output transistor is corrected to be increased based on the current balance signal;
When the first target current is smaller than the second target current, the on-time of the first output transistor is corrected to increase while the on-time of the second output transistor is corrected to decrease based on the current balance signal. The semiconductor device according to item 5.
前記出力電圧が加わる出力端子と前記複数のスイッチ端子との間に設けられた複数のコイルと、
前記出力端子とグランドとの間に設けられた出力コンデンサと、を備えた降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータであって、
前記複数のスイッチ電圧を前記複数のコイル及び前記出力コンデンサにより整流及び平滑化することで前記出力端子に前記出力電圧を生成する
降圧型マルチフェーズDC/DCコンバータ。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ,
a plurality of coils provided between an output terminal to which the output voltage is applied and the plurality of switch terminals;
A step-down multiphase DC/DC converter, comprising: an output capacitor provided between the output terminal and ground;
A step-down multiphase DC/DC converter that generates the output voltage at the output terminal by rectifying and smoothing the plurality of switch voltages using the plurality of coils and the output capacitor.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020109334A JP7445541B2 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters |
CN202110509813.3A CN113852283A (en) | 2020-06-25 | 2021-05-11 | Semiconductor device and step-down type multiphase DC/DC converter |
US17/346,407 US11588404B2 (en) | 2020-06-25 | 2021-06-14 | Semiconductor device and step-down multi-phase DC/DC converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020109334A JP7445541B2 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022006829A JP2022006829A (en) | 2022-01-13 |
JP7445541B2 true JP7445541B2 (en) | 2024-03-07 |
Family
ID=78972962
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020109334A Active JP7445541B2 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11588404B2 (en) |
JP (1) | JP7445541B2 (en) |
CN (1) | CN113852283A (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
IT202000017224A1 (en) * | 2020-07-15 | 2022-01-15 | St Microelectronics Srl | CORRESPONDING CONVERTER CIRCUIT, DEVICE AND PROCEDURE |
JP7578004B2 (en) * | 2021-01-20 | 2024-11-06 | トヨタ自動車株式会社 | Voltage Conversion Device |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013062944A (en) | 2011-09-13 | 2013-04-04 | Ricoh Co Ltd | Control circuit for dc/dc converter, and dc/dc converter |
JP2017085856A (en) | 2015-10-30 | 2017-05-18 | ローム株式会社 | Dc/dc converter, control circuit and control method therefor, and system power supply |
US20200021189A1 (en) | 2018-07-11 | 2020-01-16 | Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. | Current balance method used in multi-phase switching converters |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6515460B1 (en) * | 2001-09-10 | 2003-02-04 | National Semiconductor Corporation | Multiphase switching regulator control architecture for low on time systems that enforces current sharing |
JP6357773B2 (en) | 2013-12-27 | 2018-07-18 | 株式会社リコー | DC / DC converter, switching power supply device and electronic device |
US10284095B1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-05-07 | Microchip Technology Incorporated | Method and apparatus for phase current balancing in multi-phase constant on-time buck converter |
-
2020
- 2020-06-25 JP JP2020109334A patent/JP7445541B2/en active Active
-
2021
- 2021-05-11 CN CN202110509813.3A patent/CN113852283A/en active Pending
- 2021-06-14 US US17/346,407 patent/US11588404B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013062944A (en) | 2011-09-13 | 2013-04-04 | Ricoh Co Ltd | Control circuit for dc/dc converter, and dc/dc converter |
JP2017085856A (en) | 2015-10-30 | 2017-05-18 | ローム株式会社 | Dc/dc converter, control circuit and control method therefor, and system power supply |
US20200021189A1 (en) | 2018-07-11 | 2020-01-16 | Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. | Current balance method used in multi-phase switching converters |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20210408913A1 (en) | 2021-12-30 |
US11588404B2 (en) | 2023-02-21 |
JP2022006829A (en) | 2022-01-13 |
CN113852283A (en) | 2021-12-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6813173B2 (en) | DC-to-DC converter with improved transient response | |
US20210288576A1 (en) | Multiple-stage power conversion | |
Jang et al. | Multiphase buck converters with extended duty cycle | |
US7208921B2 (en) | DC-DC regulator with switching frequency responsive to load | |
US7724553B2 (en) | DC-to-DC converter with improved transient response | |
US8836301B2 (en) | Power supply unit | |
US10554127B2 (en) | Control circuit and control method for multi-output DC-DC converter | |
US11626801B2 (en) | Stacked buck converters and associated method of operation | |
US20030086283A1 (en) | DC-to-DC converter with improved transient response | |
US7342383B1 (en) | Apparatus and method for smooth DCM-to-CCM transition in a multi-phase DC-DC converter | |
US20140253066A1 (en) | Power circuit | |
TW200908525A (en) | Multi-output power supply device | |
JP2005168106A (en) | Power supply unit | |
EP4125201B1 (en) | Three-level direct current converter and power supply system | |
US12170484B2 (en) | Resonant cockcroft-walton voltage converters using multi-phase clocking techniques | |
JP7445541B2 (en) | Semiconductor devices and step-down multiphase DC/DC converters | |
US12126262B2 (en) | Dual-phase constant on-time power converter and control method | |
US8331110B2 (en) | Switching capacitor—PWM power converter | |
CN111614251A (en) | Multiphase DC-to-DC power converter and driving method thereof | |
US9071138B2 (en) | Adaptive digital pulse width modulation generator for buck converters | |
US20250096688A1 (en) | Multiphase power supply with improved transient response | |
WO2024247502A1 (en) | Power supply device | |
WO2024247503A1 (en) | Power supply device and power supply system | |
CN119582617A (en) | Multiphase power supply and its control circuit | |
CN114157144A (en) | PWM control circuit based on multiphase DC-DC buck converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230510 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20231017 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20231024 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240220 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240226 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7445541 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |